"액체에서 유리로 변하는 입자의 움직임 밝혔다" IBS 연구진 논문, SCI급 저명 국제학술지 '네이처' 등재
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"액체에서 유리로 변하는 입자의 움직임 밝혔다" IBS 연구진 논문, SCI급 저명 국제학술지 '네이처' 등재
  • 정 현 기자
  • 승인 2020.11.13 10:33
  • 댓글 0
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국제학술지 'Nature' 11월 12일자 게재

[위즈뉴스] 기초과학연구원(IBS) 12일, 첨단연성물질 연구단 스티브 그래닉 단장(UNIST 화학과 특훈교수)과 보 리 선임연구원이 프랑스 국립과학연구센터와 함께 액체가 단단한 유리로 변하는 임계점에서 유리 입자의 움직임을 처음으로 규명했다고 밝혔다.

이번 연구로 유리를 근본적인 수준에서 이해할 수 있게 되어, 향후 유리에 새로운 성질을 부여하는 신소재를 개발할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.

스티브 그래닉 단장(왼쪽)과 보 리 선임연구원 / 사진=IBS
스티브 그래닉 단장(왼쪽)과 보 리 선임연구원 / 사진=IBS

이번 연구성과를 담은 논문은 SCI급 저명 국제학술지 '네이처(Nature, IF 42.778)' 11월 12일자에 게재됐다.

논문명은 'Deconstruction of the cage-formation process in a two-dimensional glass-forming liquid'이며 , 보 리 선임연구원이 제1저자로, 스티브 그래닉 단장이 공동저자로 참여했다.

제1저자인 보 리 선임연구원은 "이번 연구는 유리의 다양하고 매혹적인 성질에 기여하는 근본 현상을 밝힘으로써 유리 연구에 기여했을 뿐 아니라, 연구에서 사용한 레이저 기술은 다른 하위 분야 즉, 콜로이드나 과립 시스템 연구에도 영향을 줄 수 있다"고 말했다. 

유리의 입자 배열은 액체와 비슷하다. 우리가 아는 유리는 높은 온도에서는 액체였다가 온도가 내려가면서 유리가 되는데, 특정 임계온도부터 유리의 특징인 높은 점성이 나타난다.

유리가 단단해지는 이유는 주변 입자들에 둘러싸이며 입자가 움직이지 못하는 ‘케이지 형성(cage formation)' 때문으로 알려져 있다. 케이지형성이란 입자들이 개별로 움직이지 않고, 주변 입자들에 둘러싸여 뭉치는 현상을 말한다.

그러나, 이 지점에서 입자들의 케이지 형성이 실제로 관찰된 적은 없었다. 연구진은 개별 입자를 자극해, 임계점에서 입자의 이동성 증가와 집합적인 움직임을 처음으로 밝혀냈다.

평면의 유리 입자들을 레이저로 자극하는 모식도와 사진 / 자료이미지=IBS
평면의 유리 입자들을 레이저로 자극하는 모식도와 사진 / 자료이미지=IBS

기존에는 외부 자극이 없는 상태에서 전체 유리 입자를 평균적으로 추적하는 데 그쳐, 입자들의 반응이나 국소적인 움직임은 알 수 없었다.

이에, 연구진은 개별 콜로이드 입자를 자극할 수 있을 만큼 강하고 집중된 펨토 초 레이저를 개발해, 레이저로 입자 한 개를 자극한 뒤 주변 입자들로 움직임이 퍼져나가는 양상을 분석했다.

패킹 계수 별 시간에 따른 입자 움직임 분석 / 자료이미지=IBS
패킹 계수 별 시간에 따른 입자 움직임 분석 / 자료이미지=IBS

실험 결과 임계점에서 입자 이동성이 가장 증가하며, 케이지 형성의 특징인 집합적 움직임이 나타난다는 사실을 발견했다.

임계점에서 집합적으로 움직이는 유리 입자 / 자료이미지=IBS
임계점에서 집합적으로 움직이는 유리 입자 / 자료이미지=IBS

연구진은 임계점에서 입자들이 가장 많이, 멀리 이동함을 관찰했다. 임계점에서 입자들이 움직이기 쉬운 즉, 변형되기 쉬운 상태임을 처음 규명한 것이다.

또, 연속적이고 개별적으로 움직이던 입자들이, 임계점에서는 군대처럼 집합적으로 움직이는 현상을 관찰했다. 이는 연속적으로 움직일 수 있었던 유리 입자가 케이지 구조를 만들었다는 뜻이다.

이번 연구로 유리 전이가 서서히 일어난다는 기존 관념을 뒤집고, 임계점에서 입자가 움직이는 방식이 근본적으로 변화함을 밝혔다.


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