고려대 학부생, 세계적 학술지에 제1저자 논문 게재…지구 하부 맨틀 광물 생성 과정 실시간 관측

△ 강력한 레이저 충격파로 규회석(CaSiO₃)을 순간적으로 압축하자, 규소 주변의 원자 구조가 사면체에서 더 조밀한 팔면체로 재배열되며 지구 깊은 맨틀의 주요 광물인 데이브마오이트(CaSiO₃-페로브스카이트)가 형성됐다. 이를 묘사한 이미지

행성의 형성과 진화의 신비에 한 발짝 다가선다. 고려대학교(총장 김동원) 지구환경과학과 김동훈 교수 연구팀이 극한 충격 환경에서 지구 하부 맨틀의 주요 광물인 ‘데이브마오이트(Davemaoite)’가 형성되는 과정을 실시간으로 관측하는 데 성공했다.

*데이브마오이트(davemaoite): 지구 하부 맨틀을 이루는 대표적인 광물 중 하나로, 높은 압력에서만 안정하게 존재하는 칼슘 규산염(CaSiO₃) 광물

이번 연구는 고려대 지구환경과학과 학부연구생인 이무진 학생(24학번)이 연구를 주도해 제1저자로 국제학술지 ‘Nature Communications’에 논문을 발표했다는 점에서 의미가 크다. 이는 학부생이 세계적인 수준의 대형 연구시설을 활용한 국제 공동연구를 수행하여 거둔 성과로, 고려대의 연구 중심 교육과 체계적인 멘토링 시스템이 만든 값진 결실이다.

운석 충돌과 같은 극한 환경에서는 순간적으로 매우 높은 압력과 온도가 발생하며, 이 과정에서 광물의 구조가 빠르게 변할 수 있다. 하지만 이러한 변화는 수십억 분의 1초(나노초) 안에 일어나기 때문에 지금까지는 그 과정을 직접 관측하기 어려웠다.

연구팀은 일본의 최첨단 X선 자유전자레이저(XFEL) 시설인 ‘SACLA’를 활용해 극한 충격 환경에서 칼슘 규산염(CaSiO₃)이 데이브마오이트로 형성되는 과정을 실시간으로 직접 관측하는 데 성공했다. 

*X선 자유전자레이저(XFEL): 전자를 가속하는 대형 가속기를 이용해 만드는 차세대 X선 광원으로, 기존 방사광가속기보다 훨씬 밝고 매우 짧은 X선 펄스를 발생시켜 원자 수준에서 초고속으로 일어나는 물질의 변화를 실시간으로 관측할 수 있다

이번 연구는 충격 압축 과정에서 칼슘 규산염이 데이브마오이트로 변하는 과정을 직접 관측함으로써, 극한 조건에서 지구 하부 맨틀 광물이 어떻게 형성되는지 이해하는지 중요한 단서를 제시한다. 또한, 지구뿐 아니라 강한 충돌을 경험하는 암석형 행성 내부 물질이 어떻게 변화하는지를 연구하는 새로운 실험적 접근법을 제시했다. 

*충격 압축 과정: 물질에 강한 충격파를 가해 순간적으로 압축함으로써, 지구 깊은 내부나 운석 충돌에서 나타나는 극한의 압력과 온도를 만들어내는 과정

김동훈 교수는 “이번 연구는 지구 깊은 곳에 존재하는 데이브마오이트가 극한 압력에서 형성되는 과정을 실시간으로 직접 확인한 사례로, 지구와 암석형 외계행성 내부를 이해하는 데 중요한 단서를 제시했다”며 “앞으로도 학생들이 세계 최고 수준의 연구시설과 국제 공동연구에 적극 참여하며 글로벌 연구자로 성장할 수 있는 연구 환경을 지속적으로 만들어 나가겠다”고 말했다.

본 연구 성과는 다학제 분야 국제 학술지인 ‘Nature Communications(IF=18.1)’ 온라인에 8월 27일 게재됐다. 

*논문명: Direct observation of shock-induced formation of davemaoite, Ca-perovskite

*DOI: 10.1038/s41467-026-76624-y

*URL: https://www.nature.com/articles/s41467-026-76624-y

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 고려대학교의 지원을 받아 수행됐다. 고려대학교를 중심으로 미국 카네기연구소(Carnegie Institution for Science), 일본 도호쿠대학교(Tohoku University), 오사카대학교(Osaka University), 일본 고휘도광과학연구센터(Japan Synchrotron Radiation Research Institute, JASRI), 전남대학교, 광주과학기술원(GIST), 부산대학교, 포항가속기연구소(PAL) 연구진이 참여한 국제 공동연구다. 

[연구진 사진]

△ (왼쪽부터) 고려대 지구환경과학과 김동훈 교수(교신저자), 이무진 학생(24학번, 제1저자)