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pp.289-300
규산염 물질의 탄소 용해도에 대한 미시적 연구는 규산염 물질의 성질 변화와 지구 시스템 진화에 탄소가 미치는 영향의 이해에 매우 중요하다. 본 연구에서는 탄소가 용해된 엔스테타이트 시료에 대하여 라만(Raman) 분광분석을 실시하고, 양자 화학 계산을 통해 결정구조 내에 용해된 탄소의 원자 환경과 핵자기공명 분광 특성을 예측하였다. 1.5 GPa 1,400℃의 온도 압력 조건에서 2.4 wt%의 비정질 탄소와 함께 합성한 엔스테타이트의 라만 실험에서 엔스테타이트의 진동양상은 확인할 수 있었으나, CO2나 탄산염 이온의 진동양상에 대한 정보는 획득하지 못하였다. 이는 엔스테타이트 내에 용해된 탄소의 양이 매우 적어 시료를 구성하는 원자들의 집합적인 진동양상을 측정하는 라만 분광분석으로는 검출이 어려움을 지시한다. 특정 핵종 중심의 핵자기공명 분광분석을 이용하면, 구조 내에 존재하는 탄소만 선택적으로 측정할 수 있다. 특히 13C NMR 화학 이동(chemical shift)은 원자 환경에 따라 민감하게 변하므로, 양자 화학 계산을 이용하여 CO2와 C가 치환된 엔스테타이트 클러스터의 13C NMR 화학 차폐 텐서(chemical shielding tensor)를 계산하였다. 계산 결과 CO2의 피크는 125 ppm에서 나타나며 이는 기존의 실험결과와 일치하며, 상압에서는 생성이 어렵지만 고압환경에서 생성될 가능성이 있는 배위수가 4인 C의 화학 이동 값은 ~254 ppm으로 예측되었다. 이와 같은 양자 화학 계산 결과는 고분해능 13C NMR 실험의 이해를 돕고 탄소의 원자 환경을 연구하는데 도움을 줄 것이다.
Atomistic origins of carbon solubility into silicates are essential to understand the effect of carbon on the properties of silicates and evolution of the Earth system through igneous and volcanic processes. Here, we investigate the atomic structure and NMR properties of dissolved carbon in enstatite using Raman spectroscopy and quantum chemical calculations. Raman spectrum for enstatite synthesized with 2.4. wt% of amorphous carbon at 1.5 GPa and 1,400℃ shows vibrational modes of enstatite, but does not show any vibrational modes of CO2 or CO32-. The result indicates low solubility of carbon into enstatite at a given pressure and temperature conditions. Because 13C NMR chemical shift is sensitive to local atomic structure around carbon and we calculated 13C NMR chemical shielding tensors for C substituted enstatite cluster as well as molecular CO2 using quantum chemical calculations to give insights into 13C NMR chemical shifts of carbon in enstatite. The result shows that 13C NMR chemical shift of CO2 is 125 ppm, consistent with previous studies. Calculated 13C NMR chemical shift of C is ~254 ppm. The current calculation will alllow us to assign potential 13C NMR spectra for the enstatite dissolved with carbon and thus may be useful in exploring the atomic environment of carbon.
