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원석 속의 천연 다이아몬드 론스데일라이트 운석 나노 다이아몬드 운석
출처: Cloud Ridge Naturalists 소스: 동북아문물감정연구원
사진 제공: 포피가이 다이아몬드, 시베리아 타임즈(siberiantimes.com) 제공.
원석 속의 다이아몬드
역사를 통틀어 지구는 반복적으로 큰 운석에 부딪혔습니다. 지구에서 발견된 60,000개 이상의 운석 중 대부분은 소행성대에서 왔습니다.
운석 충돌이 "astrobleme"(그리스어 아스트론 '별' + blēma '상처'에서 유래)을 형성할 만큼 충분히 크면 충돌 지점 아래 및 주변의 기반암, 모래 또는 토양은 일반적으로 충돌과 관련된 엄청난 열, 압력 및 충격파의 결과로 극적인 변형(또는 운석 변성)을 겪습니다.
충돌의 고온 및 압력 조건은 지구 내부 깊숙한 곳에서 다이아몬드를 생성하는 조건과 유사하며, 특히 충돌 영역의 "목표" 암석 물질에 탄소가 포함된 경우 더욱 그렇습니다.
다이아몬드는 많은 충돌 지점의 분화구 안팎에서 발견되었습니다. 지질학자들은 운석이 지구에 강하게 부딪히면 부드럽고 순수한 탄소의 일종인 흑연이 다이아몬드보다 더 단단한 광물로 변할 수 있다고 오랫동안 의심해 왔습니다. 어떻게 한 광물이 다른 광물이 될 수 있습니까?
흑연과 다이아몬드는 모두 서로 결합된 탄소 원자로 만들어집니다. 부드러운 회색 흑연(연필에 있는 것과 동일한 광물)에서 탄소 원자는 시트로 배열됩니다. 반면에 심해 다이아몬드에서는 원자가 반복되는 입방체로 배열됩니다.
아래 다이어그램에서 볼 수 있듯이 탄소 원자의 배열은 다른 결정 구조를 초래합니다
일러스트레이션 크레딧: 다이아몬드, 흑연 및 론스데일라이트의 결정 구조, Popov IV, Gorne AL, Tchougreeff AL, Dronskowski R. (2019): 결합 및 혼성화를 통해 본 다이아몬드와 흑연의 상대적 안정성, 물리 화학 및 화학 물리학., 21, 10961-10969. 2019; 걸프 보석학 연구소.
운석 다이아몬드는 우리가 가장 잘 알고 있는 보석 품질의 다이아몬드와 어떻게 다릅니까? 다이아몬드는 독특한 입방체 결정 구조를 가진 고체 형태의 탄소입니다.
그들은 일반적으로 지구 맨틀의 100-150 마일 깊이에서 형성되지만 일부는 500-600 마일 깊이에서 왔습니다.
이 초심층 지구 다이아몬드는 화씨 1,000도, 해수면 대기압의 240,000배에서 탄소가 풍부한 마그마의 불타는 가마솥에서 형성됩니다.
많은 지질학자들은 상업적으로 채굴된 "원석 속의 다이아몬드"의 대부분이 35억 년 전에 지구의 맨틀에서 형성되었는데, 이 맨틀은 극심한 열과 압력으로 인해 원시 마그마의 탄소 원자가 다이아몬드의 전형적인 독특한 팔면체와 입방체로 결정화되었다고 믿습니다.
이 심해 다이아몬드의 탄소 공급원은 지구가 형성될 당시 지구 내부에 갇혀 있던 탄소였을 가능성이 큽니다. 각 탄소 원자가 4개의 등거리 이웃에 연결되어 있는 조밀한 결정 구조는 이러한 "맨틀 다이아몬드"에 타의 추종을 불허하는 경도와 기타 여러 특성을 부여합니다.
이 고대 다이아몬드는 어떻게 지구 표면에 도달했을까요? 그 대답은 다이아몬드 자체의 크리스탈 완벽함만큼이나 놀랍습니다. 열 대류와 판 구조론의 촉발 메커니즘으로 인해 맨틀의 상층에서 마그마 생성(광물 감람석이 녹는 것)이 격렬하고 깊은 근원의 화산 폭발을 초래한 것으로 믿어집니다.
이러한 폭발적인 분출은 다이아몬드 마그마(킴벌라이트)가 표면에 도달할 수 있는 경로를 제공하는 "마그마 배관" 시스템을 만들었습니다.
이 화산 폭발은 훨씬 더 폭발적이었으며, 오늘날 하와이, 아이슬란드, 인도네시아, 세인트 헬렌스 산과 같은 곳에서 볼 수 있는 화산 활동보다 훨씬 더 빠른 속도로 지각을 뚫고 지나갔습니다.
제게 매우 흥미로운 것은 이 다이아몬드들이 본질적으로 화산 킴벌라이트 마그마에서 "미리 결정화된 히치하이커"였으며, 그 결정체의 완벽함은 불타는 상승에 의해 훼손되지 않았다는 것입니다.
사진 제공: 위키미디어 크리에이티브 커먼즈 라이선스 제공. 많은 다이아몬드 파이프에서 발견되는 화산암인 킴벌라이트(Kimberlite)의 이 사진은 남아프리카의 핀쉬 다이아몬드 광산(Finsch Diamond Mine)에서 찍은 것입니다.
이 표본에는 여러 개의 작은 다이아몬드와 약 1.8캐럿의 아름다운 팔면체 다이아몬드 결정이 포함되어 있습니다. 킴벌라이트는 다양한 페리도타이트이며, 지구 맨틀의 대부분은 페리도타이트로 구성되어 있는 것으로 여겨집니다.
페리도타이트는 세계에서 채굴되는 많은 다이아몬드의 원천이며 종종 유일한 크롬 광석인 크로마이트를 함유하고 있기 때문에 경제적으로 중요한 암석입니다. 또한 현재 기후 변화 연구자들이 이산화탄소를 격리하는 수단으로 연구하고 있습니다.
외계 다이아몬드
약 3,500만 년 전(에오세-올리고세 대멸종 사건과 관련이 있을 수 있음)에 지름 약 4-5마일, 초속 약 15-20마일의 속도로 이동하는 소행성이 현재 러시아 북부 시베리아의 타이미르 반도로 알려진 지역에 충돌했습니다.
포피가이 분화구(또는 "포피가이 아스트로블렘")는 지구상에서 7번째로 큰 충돌 분화구입니다. 이 초고속 충돌에 의해 전달된 에너지는 수천 입방 마일의 암석을 순식간에 녹였고 수백만 톤의 분출물을 공중으로 날려 보냈다. 그 분출물 중 일부는 다른 대륙에 떨어졌습니다.
폭발은 12 마일 너비가 넘는 변형 된 암석의 광대 한 테두리가있는 62 마일 너비의 충돌 분화구를 만들었습니다. 이 구역 내에서, 아르케아 흑연-석류석 편마암의 흑연 조각은 즉시 다이아몬드로 변환되었다.
연구자들은 다이아몬드를 함유한 이 암석 껍질의 부피가 약 1600입방마일에 달하며, 지구의 다른 모든 알려진 퇴적층을 합친 것보다 더 많은 다이아몬드를 함유하고 있다고 추정한다. 포피가이 분화구에서 최대 50인치 크기의 다결정 산업용 다이아몬드가 발견되었으며, 분화구 충돌 지역은 유네스코에 의해 지질공원으로 지정되었으며, 관련 다이아몬드의 모체로 인해 지질학적으로 특별한 의미가 있는 장소입니다.
포피가이 분화구 (러시아 시베리아)
사진 제공: 시베리아의 포피가이 분화구의 Landsat 사진, NASA 및 소련/러시아 우주국 제공. 운석 다이아몬드와 충돌 브레시아의 원천인 포피가이 분화구는 북극권의 북쪽 끝인 타미르 반도의 시베리아 북쪽 가장자리에 위치하고 있습니다.
사진 제공: Murri, M., Smith, R.L., McColl, K. et al. 다이아몬드의 육각형 적층 정량화. Sci Rep 9, 10334 (2019) 및 크리에이티브 커먼즈 저작자표시 4.0 국제 라이선스. 본 연구에서 조사한 대표적인 포피가이 임팩트 다이아몬드의 광학 이미지는 (위) 투과광과 (아래) 반사광을 사용하여 얻은 것입니다. 이미지의 줄무늬는 탄소 원자의 시트에 해당하며 검은 점은 잔류 흑연입니다.
애리조나의 유성(배링거) 분화구
사진 제공: 위의 Barringer Crater의 두 사진은 국제 우주 정거장 이미지 컬렉션에서 제공한 것입니다. eol.jsc.nasa.gov.
사진 제공: Courtesy of arizonaattractions.com. 애리조나의 유성 분화구(Barringer Crater라고도 함)는 지구상에서 가장 잘 보존된 운석 충돌 지점입니다. 이 장엄한 분화구는 방문할 가치가 충분하며 애리조나 주 윈슬로 근처에 있으며 40번 주간 고속도로와 오래된 66번 국도에서 불과 몇 분 거리에 있습니다.
애리조나의 메테오 크레이터(Meteor Crater)는 배링거 크레이터(Barringer Crater)로도 알려져 있으며, 지구상에서 가장 잘 보존된 운석 충돌 장소입니다.
이 분화구는 충돌 기원을 밝힌 지질학자 다니엘 모로 배링거(Daniel Moreau Barringer)의 이름을 따서 명명되었습니다. 이제 우리는 분화구를 만든 캐니언 디아블로 운석이 거의 50,000년 전에 콜로라도 고원(애리조나 북부)에 충돌했을 때 시속 22,000마일보다 더 빠르게 이동하고 있었다는 것을 알고 있습니다.
직경이 거의 164피트에 달하는 철 소행성이 입힌 피해는 핵폭탄 폭발과 비슷했지만, 전리 방사선 피해는 없었다. 이 거대한 폭발은 1억 7,500만 톤의 암석을 굴착하여 너비가 거의 1마일, 깊이가 570피트에 달하는 분화구를 형성했습니다.
충돌 사건은 지구 환경에 영향을 미치기에는 너무 작았지만 지역적 피해는 상당했을 것입니다. 고환경적 자료에 의하면 분화구가 형성되었을 때 주니퍼-피뇽 삼림지대 또는 숲이 완만하게 구불구불한 시골을 덮고 있었다.
매머드, 큰 나무늘보, 들소, 낙타, 맥 및 말과 같은 대형 포유류가 근처에 살았을 수 있으며 20-40 메가톤의 폭발의 희생자였을 수 있습니다. 소행성, 기반암, 그리고 그라운드 제로에 있는 모든 동식물은 증발했을 것이다.
론스데일라이트 다이아몬드
약 50년 전, 과학자들은 캐니언 디아블로 운석의 철분이 풍부한 파편에서 새로운 육각형 형태의 다이아몬드를 발견했습니다.
그들은 영국의 유명한 결정학자인 Dame Kathleen Lonsdale의 이름을 따서 lonsdaleite라고 명명했습니다. Lonsdaleite는 다이아몬드의 규칙적인 입방 형태를 가지고 있지만 결정 구조 내에서 생성 중에 극심한 충격이나 압력을 받았음을 암시하는 결함을 나타냅니다.
연구자들은 다이아몬드의 형성이 지구와 충돌했을 때 운석 내에서 흑연의 충격으로 인한 변형에 기인한다고 생각했습니다. 운석의 격렬한 충격은 엄청난 열과 압력을 발생시켜 흑연의 원래 육각형 구조를 유지하면서 흑연을 다이아몬드로 변형시킵니다.
그 이후로 "lonsdaleite"는 대량 멸종과 관련된 것을 포함하여 지구에 대한 고대 소행성 충돌의 지표로 과학자들에 의해 널리 사용되었습니다. 또한 Lonsdaleite는 일반 다이아몬드보다 우수한 기계적 특성을 갖는 것으로 생각되어 산업적 중요성이 높습니다.
사진 제공: Kathleen Lonsdale과 크리스탈 모델, 사진 작가 미상, c. 1946. UCL 지구과학부 이안 우드 교수 제공, "파괴자와 혁신가: UCL의 성평등 여정", 옥타곤 갤러리 전시 3(2019). Kathleen Lonsdale은 1929년 X선 회절 방법으로 벤젠의 구조를 확립한 결정학자입니다. 그녀는 또한 다이아몬드 합성에 대해 연구했으며 결정을 연구하기 위해 X선을 사용하는 선구자였습니다.
사진 제공: 로렌스 가비(Laurence Garvie)/애리조나 주립대학교(애리조나 주립대학교 지구 및 우주 탐사 학교). 이 미세한 론스데일라이트 다이아몬드는 배링거 분화구(Barringer Crater)에서 발견되었다. 일반 다이아몬드의 원자 규모 구조는 입방체입니다. 대조적으로 Lonsdaleite는 육각형 구조를 가지고 있습니다. 애리조나의 Barringer/Meteor Crater 외에도 Lonsdaleite 다이아몬드는 Popigai Crater(러시아), Tunguska Event 및 기타 여러 충돌 분화구 사이트와 관련이 있습니다.
론스데일라이트가 어떻게 형성되는지 이해하기 위한 많은 연구 노력 중 가장 중요한 것 중 하나는 Péter Németh와 공동 저자인 Laurence Garvie, Toshihiro Aoki, Peter Buseck, Natalia Dubrovinskaia 및 Leonid Dubrovinsky가 Nature Communications에 발표한 것입니다. 수석 저자인 페테르 네메스(Péter Németh)에 따르면, "소위 론스데일라이트 다이아몬드(lonsdaleite diamond)라고 불리는 다이아몬드는 사실 오랫동안 친숙한 입방체 형태의 다이아몬드이지만, 결함으로 가득 차 있습니다.
이는 충격 변성, 소성 변형 또는 평형되지 않은 결정 성장으로 인해 발생할 수 있습니다." 연구팀은 애리조나 주립대 고체과학센터(Center for Solid State Science)의 첨단 전자현미경을 이용해 캐니언 디아블로(Canyon Diablo)와 실험실에서 만든 합성 샘플에서 론스데일라이트(lonsdaleite)의 특징을 가진 새로운 유형의 다이아몬드 쌍둥이를 발견했다.
"대부분의 결정체는 잘 지어진 벽의 벽돌처럼 규칙적으로 반복되는 구조를 가지고 있다"고 공동 저자인 피터 부섹은 말한다. 그러나 규칙적으로 중단이 발생할 수 있으며 이를 결함이라고 합니다. 결함은 일반적인 다이아몬드 구조와 뒤섞여 있는데, 마치 벽에 이따금 반 벽돌 또는 더 긴 벽돌이나 한 줄의 벽돌이 한쪽 또는 다른 쪽으로 약간 치우쳐 있는 것처럼 보입니다."
흑연에서 다이아몬드로의 충격 유도 전이에 초점을 맞춘 또 다른 획기적인 연구에서 스탠포드 대학의 국립 가속기 연구소의 연구원들은 흑연에서 다이아몬드로의 충격 유도 압축을 설명하는 구조 측정값을 얻기 위해 열분해 흑연에 고에너지 레이저와 초고속 X선 회절을 결합했습니다.
그들의 결과는 50 GPa의 고압 문턱에서 시작하는 충격 압축 후에 다이아몬드 구조의 nanosecond 대형과 170 GPa 이상 lonsdaleite 다이아몬드 압력의 직접적인 대형을 보여주었습니다,
출처: Kraus, D. et al. 흑연의 충격 압축에 의한 다이아몬드와 론스데일라이트의 나노초 형성. 네이처 커뮤니케이션즈. 7:10970 doi: 10.1038/ncomms10970 (2016).
나노 다이아몬드
사진 제공: NASA 및 런던 자연사 박물관 관리위원회 제공. 이 사진은 작은 나노 다이아몬드를 지구로 운반한 Esquel pallasite 운석의 광택이 나고 확대된 부분을 보여줍니다. 이것은 은하계에 상당한 양의 고압 탄소가 있고 따라서 일부 다이아몬드가 있다고 믿어지기 때문에 흔한 일입니다.
1980년대에 NASA 연구원들은 지구에 충돌한 일부 운석에 나노미터 크기의 작은 다이아몬드가 많이 포함되어 있음을 발견했습니다.
나노 다이아몬드는 직경이 수 나노미터(10억분의 1미터)인 다이아몬드입니다. 연구진은 운석에서 발견되는 모든 탄소의 3%가 나노다이아몬드 형태로 나왔다고 밝혔다. 운석이 우주 공간의 먼지 함량을 반영하는 것이라면, 천문학자의 계산에 따르면 우주 구름 속의 먼지와 가스 1그램에는 10,000조 개의 나노다이아몬드가 들어 있을 수 있습니다.
이 마이크로 보석은 모래 알갱이보다 약 25,000배 작으며, 보석에 사용하기에는 너무 작습니다. 천문학자들은 이 작은 입자들이 지구 생명체의 기초인 탄소가 풍부한 분자가 우주에서 어떻게 발달하는지에 대한 귀중한 통찰력을 제공할 수 있다고 믿습니다.
나노 다이아몬드의 생물 의학적 용도
나노 다이아몬드가 더 오래 지속되고 덜 고통스러운 인공 관절을 만드는 데 중요한 역할을 합니까?
최근 비선택적 MAKO 무릎 전치환 수술을 견뎌냈고 가능한 한 정상적인 운동 범위와 기능에 가깝게 회복하는 데 필요한 장기간의 물리 치료를 견뎌낸 저는 Acta Biomaterialia 저널에서 앨라배마 대학(버밍엄) 연구원이 금속 합금으로 만든 교체 조인트의 마모를 줄이는 데 나노다이아몬드의 잠재적 사용을 탐구한 연구를 읽게 되어 기뻤습니다.
이 연구는 인공 관절을 단단하게 하기 위해 고안된 나노 다이아몬드가 열심히 일하는 금속 관절이 금속 파편을 몸으로 흘릴 때 발생하는 염증을 예방하는 데 도움이 될 수 있음을 시사합니다.
미국 정형외과 학회(American Academy of Orthopedic Surgeons)에 따르면 매년 미국에서 418,000건 이상의 무릎 치환술과 328,000건의 고관절 치환술이 시행되기 때문에 이 연구가 중요합니다. 이 숫자는 국가의 인구가 고령화됨에 따라 급증할 것으로 예상됩니다.
관절 마모는 통증을 유발하고 이동성을 제한하며 인공 관절 부전을 촉진할 수 있는 파편을 생성합니다. 금속 표면의 파편 입자는 대식세포라고 하는 면역 세포를 청소하여 흡수한 다음 부종과 통증을 유발하는 화학 물질을 분비합니다.
이 염증은 임플란트 근처의 뼈를 먹는 세포를 "활성화"하며, 후속 뼈 손실은 관절 임플란트가 느슨해져 두 번째 수술이 필요할 가능성을 높입니다. 나노 다이아몬드 코팅은 금속 파편의 흘림을 막을 수 있지만 조인트 내의 일정한 연삭력으로 인해 나노 다이아몬드조차도 일부 입자를 흘릴 수 있습니다.
고맙게도, 연구에 따르면 나노 다이아몬드는 더 적은 파편과 더 작은 입자를 흘립니다.
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