[논문 리뷰] Superionic hydrogen in Earth's deep interior

Yu He, Duck Young Kim외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 20.

High-pressure geophysics and materials참고 문헌 47인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 지구의 하부 맨틀과 핵-맨틀 경계와 유사한 고압 고온 조건에서 수소를 수반한 광물인 흑철석 구조를 가진 FeO2Hx와 d-AlOOH에서 초이온 수소가 존재함을 제1원리 계산을 통해 입증한다. 연구 결과는 산소-수소 결합에서 대칭적인 산소-수소-산소 결합으로의 보편적인 전이 경로와 초이온 상태가 밝혀졌으며, 이는 지구의 내부에서 전기 전도도와 수소 확산을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

Superionic hydrogen was previously thought to be an exotic state predicted and confirmed only in pure H2O ice. In Earth's deep interior, H2O exists in the form of O-H groups in ultra-dense hydrous minerals, which have been proved to be stable even at the conditions of the core-mantle boundary (CMB). However, the superionic states of these hydrous minerals at high P-T have not been investigated. Using first-principles calculations, we found that pyrite structured FeO2Hx (0 <= x <= 1) and d-AlOOH, which have been proposed to be major hydrogen-bearing phases in the deep lower mantle (DLM), contain superionic hydrogen at high P-T conditions. Our observations indicate a universal pathway of the hydroxyl O-H at low pressure transforming to symmetrical O-H-O bonding at high-P low-T, and a superionic state at high-P high-T. The superionicity of hydrous minerals has a major impact on the electrical conductivity and hydrogen transportation behaviors of Earth's lower mantle as well as the CMB.

연구 동기 및 목표

• 지구의 하부 맨틀과 관련된 수소 수반 광물에서 초이온 수소의 존재를 조사하기 위해.
• 극한의 압력과 온도 조건에서 O-H 기의 구조적 및 전자적 진화를 이해하기 위해.
• 초이온성질이 지구의 하부 맨틀과 핵-맨틀 경계에서 전기 전도도와 수소 이동성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 초이온 행동을 지지하는 수소를 수반한 안정한 상들을 깊은 지구 내에서 식별하기 위해.

제안 방법

• 고압 고온 조건에서 FeO2Hx와 d-AlOOH의 전자적 및 구조적 성질을 모델링하기 위해 제1원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 사용하였다.
• 이들 상에서 수소의 동적 거동을 탐색하기 위해 아비엔도 분자역학(AIMD) 시뮬레이션을 활용하였다.
• 에너지 표면과 격자 진동 분포 계산을 통해 O-H에서 대칭적인 O-H-O 결합으로의 구조 전이를 분석하였다.
• 초이온 상태에서 수소 이온의 이동성에 기반하여 전기 전도도를 추정하였다.
• 핵-맨틀 경계 조건에서 초이온 상태의 존재를 확인하기 위해 자유 에너지 계산을 통해 상의 안정성을 평가하였다.
• 압력과 온도 기울기 전역에서 수소 결합의 진화와 수소 이온의 운동을 추적하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지구의 깊은 내부 조건에서 FeO2Hx와 d-AlOOH과 같은 수소 수반 광물에서 초이온 수소가 존재할 수 있는가?
• RQ2 저압에서 고압으로, 저온에서 고온으로의 전이에서 O-H 결합 환경은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 대칭적인 O-H-O 결합은 이러한 광물에서 초이온 행동을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 초이온성질은 지구의 하부 맨틀에서 전기 전도도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 이들 초이온 상은 핵-맨틀 경계에서 얼마나 안정한가?

주요 결과

• 흑철석 구조를 가진 FeO2Hx (0 ≤ x ≤ 1) 는 하부 맨틀에 해당하는 고압 고온 조건에서 초이온 수소를 나타낸다.
• d-AlOOH 역시 동일한 극한 조건에서 초이온 상태를 지닌다. 이는 수소 수반 광물에서 초이온성이 널리 퍼져 있을 수 있음을 시사한다.
• O-H에서 대칭적인 O-H-O 결합으로의 보편적인 전이 경로가 규명되었으며, 이는 수소 이온의 확산을 가능하게 한다.
• 초이온 상태는 전기 전도도를 크게 향상시키며, 이는 하부 맨틀에서 관측된 이례적인 전도도 비정상성의 원인일 수 있다.
• 이 연구는 이러한 초이온 상들이 핵-맨틀 경계에서 안정해 있음을 확인하였으며, 이는 지구물리학적 관련성을 지닌다.
• 초이온 상태에서 수소 이온의 높은 이동성으로 인해 이러한 상에서 수소 이동은 매우 효율적일 것으로 예상된다.