지구 맨틀층의 주요 성분인 산화철이 핵과 맨틀층의 경계부에서지금까지 학자들이 알지 못하던 새로운 구조상의 변화를 일으켜 다른 금속으로 변하는 것으로 밝혀졌다고 BBC 뉴스와 사이언스 데일리가 20일 보도했다.
미국 카네기 지구물리학연구소 과학자들은 산화철(FeO)에 지핵-맨틀 경계부의 조건과 같은 140만 기압과 2천200℃의 열을 가하는 실험 결과 산화철이 새로운 구조적 변화를 일으킨다는 사실을 확인했다고 물리학 리뷰 레터스에 발표했다.
연구진은 이런 현상은 지구 깊은 내부의 역학과 지구를 보호하는 자기장의 활동에 관한 기존 지식을 바꿔놓는 것이라고 지적했다.
산화철은 맨틀층 하부에서 두번째로 흔한 물질인 철-마그네슘 산화물(페로페리클레이즈)을 구성하는 성분이다.
연구진은 산화철이 높은 압력과 온도에서 어떤 변화를 일으키는 지 알아보기 위해 처음엔 69만기압ㆍ1천650℃의 조건을 부과했다. 그 결과 산화철은 전기 전도성을 갖게 됐지만 구조는 변하지 않았다.
이어 압력과 온도를 140만기압ㆍ2천200℃까지 올리자 산화철은 형태는 바뀌지 않은 채 순전히 압력과 온도에 따라 절연재가 되기도 하고 금속이 되기도 하는 것으로 나타났다.
연구진은 컴퓨터 시뮬레이션과 종합해 산화철의 전자에 일어나는 변화를 관찰했으며 그 결과 새로운 금속 구조로 변하는 것을 발견했다.
이들은 “초고압에서 산화철 결정체의 원자는 식용 소금과 같은 구조로 배열하는 것으로 나타났다”고 밝혔다.
마치 소금처럼 산화철은 대기(大氣)조건에서는 좋은 절연재 역할을 하지만 고압ㆍ고온에서는 형태의 변화 없이 금속화를 일으키는 데 지금까지 학자들은 이것이 새로운 결정구조가 형성됐기 때문인 것으로 생각해 왔다.
그러나 이 연구 결과는 산화철이 구조 변화 없이도 압력과 온도 변화만으로 금속화를 일으킨다는 것을 보여주고 있다. 더 나아가 금속화를 위해 산화철의 전자가 보이는 행동은 다른 물질과는 다른 것으로 나타났다.
맨틀층은 대부분 마그네슘과 산화철로 이루어져 있는데 산화철이 금속처럼 행동한다는 것은 이것이 지핵 및 맨틀층을 전기적으로 연결해 자기장이 지구 표면층을 향해 진행하는 방식에 영향을 미친다는 것을 의미한다고 연구진은 설명했다.
이들은 “산화철은 지구 맨틀층 하부 전체에서 전도성을 갖는다”면서 “한 금속이 위치와 성분에 따라 이처럼 완전히 다른 성질을 갖는다는 것은 대발견”이라고 강조했다.