라만 마이크로를 이용한 인위적 방해석의 결정화도 평가

Aug 11, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12971(2023) 이 기사 인용

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인위적 방해석은 불꽃공학 활동을 통해 생산된 탄산칼슘의 한 형태로 석회결합제, 목재재 등 재료의 주성분이다. 이러한 유형의 방해석은 서로 다른 형성 과정의 결과로 지질학적 대응물에 비해 결정성이 현저히 낮은 것이 특징입니다. 방해석의 결정화도는 투과 모드에서 적외선 분광법을 사용하여 결정될 수 있으며, 이를 통해 원자 순서에서 입자 크기 효과를 분리할 수 있어 인위적 방해석과 지질 생성 방해석을 효과적으로 구별할 수 있습니다. 반대로, 라만 미세분광법은 방해석의 결정화도 평가를 위한 참조 프레임워크를 개발하는 과정에 있습니다. 밴드 확장은 지질 및 인위적 방해석의 라만 스펙트럼에서 결정성을 나타내는 프록시 중 하나로 확인되었습니다. 여기에서는 적외선 분광학을 기반으로 한 독립적인 결정화도 기준을 바탕으로 다양한 지질 및 인위적 물질의 방해석 밴드의 최대 절반 폭을 분석합니다. 그런 다음 결과는 2차 방해석 형성에 의해 영향을 받은 샘플을 포함하여 다양한 보존 상태를 특징으로 하는 고고학 석회 바인더의 인위적 방해석 결정화도를 평가하는 데 사용되며 석회 바인더가 퇴적물에 묻혀 있는 미세한 형태의 얇은 부분에서 테스트됩니다.

방해석은 지구 표면 조건에서 탄산칼슘(CaCO3)의 안정한 다형체이며 지질(예: 석회석, 백악) 및 생물(예: 유공충, 연체동물) 형태에서 흔히 발견됩니다1,2. 방해석은 또한 CaCO3 기질이 생석회(CaO)로 열분해되어 얻어지는 수화석회(Ca(OH)2)의 탄산화 시 핵을 생성할 수 있습니다. 후자는 주변 조건에서 불안정하며 대기 습도 및 CO2와 쉽게 반응하여 방해석을 다시 형성합니다. 이 과정은 자연에서는 거의 발생하지 않으며 생성된 방해석은 일반적으로 석회 결합제 생산과 같은 불꽃공학 활동과 관련되어 생석회를 의도적으로 물 및 기타 구성 요소와 혼합하여 석회 석고 및 모르타르와 같은 재료를 얻습니다3,4. 이러한 물질은 종종 인위적 방해석이라고 불립니다5,6. 또 다른 인위적 형태는 수산칼슘7,8,9의 열분해로 인한 방해석으로 구성된 나무재입니다. 이러한 형성 메커니즘은 도메인 크기 및 습관과 같은 결정 특성에 영향을 미치며 격자 변형 및 미세 변형 변동과 같은 구조적 결함의 뚜렷한 밀도에 도움이 됩니다. 구조적 결함의 밀도가 다르면 원자 순서 또는 결정도도 달라집니다. 여기서는 원자 수준에서 3차원 주기적인 순서로 광범위하게 정의됩니다. 예를 들어, 아이슬란드 스파는 지질학적 시간 규모에 걸쳐 성장하여 거시적 거리에 걸쳐 3차원 주기 질서의 결과로 크고 잘 정의된 결정을 생성합니다. 결정화도 스펙트럼의 반대쪽 끝에서 석고의 방해석은 고농도의 격자 결함을 나타내는 nm 크기의 결정에서 빠르게 핵을 생성합니다12,13,14.

결정화도의 변화는 일반적으로 원자 순서 분석의 기준인 X선 회절을 사용하여 평가됩니다. 그러나 무정형 탄산칼슘(ACC)과 같은 단거리 원자 순서의 가변성과 나노 크기의 인위적 방해석의 격자 결함은 진동 분광법이나 전체 X-의 쌍 분포 함수 분석을 통해 분자 수준에서 더 잘 특성화됩니다. 광선 산란5,15,16,17. 최근의 발전은 고온 노출 및/또는 빠른 핵생성(석회 바인더에서와 같이)으로 인해 발생하는 구조적 결함의 뚜렷한 밀도가 방해석의 푸리에 변환 적외선(FTIR) 스펙트럼에서 밴드 확장 및 강도에 어떻게 영향을 미치는지 보여주었습니다. 특히, 투과 FTIR의 분쇄 곡선 방법은 입자 크기에 관계없이 방해석의 원자 순서 정도를 평가하는 신속한 절차를 제공합니다. 이는 동일한 KBr 펠렛의 반복된 연삭을 기반으로 하며, 이는 입자 크기에 따른 광 흡수 및 원자 순서가 적외선 스펙트럼의 모양에 부과하는 반대 경향을 분리할 수 있게 합니다. 이 방법은 생물광물화, 문화유산 보존 및 고고학 연구에 적용되어 다양한 원자 순서를 특징으로 하는 방해석을 구별합니다. 이는 특정 형성 경로뿐만 아니라 일차 인위적 방해석 결정의 재결정화와 관련된 속성 과정과 연결될 수 있습니다6,21, 22,23,24,25,26,27,28. 아라고나이트29,30 및 탄산염 수산화인회석31,32,33,34의 결정화도 연구를 위해 유사한 응용 프로그램이 개발되었습니다. 이 방법은 벌크 샘플에 ​​대한 정보를 제공하지만, 반사 모드의 FTIR 미세 분광법은 ν3 밴드(~1410cm−1)의 위치와 폭을 기반으로 지질 및 인위적 방해석을 효과적으로 구별할 수 있습니다.