[뉴투과학] 액체에서 유리로 변하는 입자의 움직임 밝히다

김영섭 입력 : 2020.11.12 01:00 ㅣ 수정 : 2020.11.12 01:00

IBS, 유리 입자끼리 뭉치는 ‘케이지 형성’ 처음 관찰 / Nature誌에 논문 발표…유리 이해와 응용성 확대에 기여

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[뉴스투데이=김영섭 기자] 국내 연구기관이 액체-유리 변화의 핵심인 ‘케이지 형성’을 형성하는 유리 입자들을 직접 관찰했다. 이는 케이지 형성이 서서히 일어난다는 기존 관념을 뒤집고 임계점에서 발생하는 케이지 구조를 직접 관찰했다는 점에서 의미가 크다. ‘케이지 형성(cage formation)’이란  입자들이 개별로 움직이지 않고, 주변 입자들에 둘러싸여 뭉치는 현상을 말한다.
 
12일 기초과학연구원(IBS)에 따르면 IBS 첨단연성물질 연구단 스티브 그래닉 단장(UNIST 화학과 특훈교수)과 보 리 선임연구원은 프랑스 국립과학연구센터와의 공동연구를 통해 액체가 단단한 유리로 변하는 임계점에서 유리 입자의 움직임을 처음으로 규명했다.
 
[그림 1] 평면의 유리 입자들을 레이저로 자극하는 모식도와 사진: (a) 2차원 평면의 유리 위에 강력한 펨토초 레이저를 쏘아, 입자를 자극했다. (b~d) 패킹계수가 0.5, 0.6, 0.7인 각 시스템에서 레이저를 쏜 뒤 5초 후의 입자가 움직인 총 거리를 표시했다. 움직인 거리가 클수록 빨간색, 없으면 파란색으로 표시했다. 패킹계수 임계점인 0.6에서 움직이는 입자 수가 가장 많음을 볼 수 있다. [그림제공=IBS]

   

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.
 
하지만 이 지점에서 입자들의 케이지 형성이 실제로 관찰된 적은 없었다. 
 
IBS 연구진은 개별 입자를 자극, 임계점에서 입자의 이동성 증가와 집합적인 움직임을 처음으로 밝혀냈다. 연구결과는 세계 최고 권위 학술지 네이처(Nature) 12일자에 게재됐다.
 
기존에는 외부 자극이 없는 상태에서 전체 유리 입자를 평균적으로 추적하는 데 그쳐, 입자들의 반응이나 국소적인 움직임은 알 수 없었다. 
 
연구진은 개별 콜로이드 입자를 자극할 수 있을 만큼 강하고 집중된 펨토(10의 15승 분의 1) 초 레이저를 개발, 레이저로 입자 한 개를 자극한 뒤 주변 입자들로 움직임이 퍼져나가는 양상을 분석했다. 콜로이드는 1~100μm 크기로, 나노 입자보다 커서 관찰이 쉽고 작은 에너지에 민감하게 반응한다.
 
실험 결과 임계점에서 입자 이동성이 가장 증가하며, 케이지 형성의 특징인 집합적 움직임을 나타냄을 발견했다. 연구진은 임계점에서 입자들이 가장 많이, 멀리 이동함을 관찰했다. 임계점에서 입자들이 움직이기 쉬운 즉, 변형되기 쉬운 상태임을 처음 규명한 것이다.
 
또한 연속적이고 개별적으로 움직이던 입자들이, 임계점에서는 군대처럼 집합적으로 움직이는 현상을 관찰했다. 이는 연속적으로 움직일 수 있었던 유리 입자가 케이지 구조를 만들었다는 뜻이다.
 
[그림 2] 패킹 계수 별 시간에 따른 입자 움직임 분석: (왼쪽) 각 패킹계수에서 움직이는 평균 입자 수. 시간에 따라 움직임이 잦아들며 움직이는 입자 수도 줄어든다. 초록색이 임계 온도이며, 가장 많은 입자가 움직임을 볼 수 있다. (오른쪽) 각 패킹계수에서 입자가 움직이는 평균 거리. 액체에 가장 가까운 0.45를 제외하고는 움직였던 입자들이 시간이 지나며 제자리로 돌아옴을 볼 수 있는데, 이는 시스템의 탄성 때문이다. 역시 임계온도에서 입자들이 가장 멀리 움직인다. [그림제공=IBS]

  

이번 연구로 유리 전이가 서서히 일어난다는 기존 관념을 뒤집고, 임계점에서 입자가 움직이는 방식이 근본적으로 변화함을 밝혔다.
 
또한 유리를 근본적인 수준에서 이해할 수 있게 됨으로써 향후 유리에 새로운 성질을 부여하는 신소재를 개발할 수 있게 됐다.
 
제1저자인 보 리 선임연구원은 “첨단 산업에 중요한 물질인 유리의 케이지 형성 원리는 오랫동안 밝혀지지 않았다”며 “레이저를 이용해 유리 시스템 속 입자 하나를 튕길 수 있었고, 유리 입자의 움직임 변화를 포착할 수 있었다”고 설명했다.
 
[그림 3] 임계점에서 집합적으로 움직이는 유리 입자: 각 그래프의 가로축은 입자의 변위, 세로축은 시간 t가 지났을 때 원래 위치로부터 r만큼 떨어져 있는 입자의 개수와 상응한다. 색상으로 시간변화를 볼 수 있다.(빨강→남색) 이 때 그래프의 피크는 시스템이 결정의 격자 구조처럼 불연속적인 구조를 갖고 있음을 의미한다. 왼쪽에 packing fraction이 0.55일 때는 시스템이 액체이므로 피크가 하나도 없고, 임계점인 0.60에서 여러 개의 피크가 생기며 고체의 성질을 보여주기 시작한다. 0.75에서는 고체의 성질이 두드러진다. 그림 e에서 표현된 것처럼 고체와 액체의 성질을 균일하게 가지게 된 임계상태의 경우, 전체적인 입자들의 운동성이 커진다. Packing fraction이 임계점을 넘어갈 경우, 시스템에서 고체의 성질이 강해지기 때문에 입자들이 자유롭게 움직이지 못하고 액체보다 활동성이 떨어지게 된다. [그림제공=IBS]

 

[연구이야기 문답정리]
 
-이번 연구는 어떻게 시작되었나?
▲ 유리는 광섬유, 렌즈, 비행기, 반도체 등 산업에서 수많은 용처에 쓰이고 있다. 원자가 규칙적인 배열을 이루고 있는 결정형 고체와 달리, 유리는 비결정형 고체라 유리를 이루는 입자들이 불규칙한 배열을 이룬다. 액체가 어는 점 아래로 온도가 내려가면 결정 혹은 유리가 된다. 유리 입자의 불규칙한 배열은 액체 상태와 비슷한데, 배열이 비슷함에도 불구하고 유리가 단단함을 가지는 이유는 이웃한 입자들에게 둘러싸이는 ‘케이지 형성’ 때문이다.
 
케이지 형성이 시작되는 임계 온도(onset point)는 점성이 높아지기 시작하고, 입자들의 움직임이 불균일해지는 등 유리의 여러 물리적인 특성이 나타나는 지점이다. 이 지표들은 모두 전체 입자의 통계적이고 평균적인 움직임으로, 개별 입자들의 역학 관계에 대해서는 얻을 수 있는 정보가 많지 않다. 임계 온도에서는 움직임이 느린 유리 상태와 움직임이 빠른 액체 상태가 공존하기 때문에 매우 복잡한 역학을 가지는데, 국소적으로 입자 단위에서 어떤 일이 일어나는지는 분석된 적이 없었다. 이번 연구는 아주 미세한 도구를 사용해 유리 입자 하나를 튕길 수는 없을까 하는 의문에서 출발했다.
 
-유리 전이는 어떤 점이 특이한가?
▲유리는 금속, 폴리머, 세라믹과는 완전히 다른 매우 특이한 물질이며 광범위한 응용처와 다양한 성질을 갖고 있다. 유리의 성질은 물질 조성에 의해 결정된다. 이 중 네트워크를 형성하는 ‘형성제(former)’가 유리의 가장 핵심이 된다. 유리를 구성하는 물질들은 형성제, 수정제(modifier), 중간체(intermediates) 세 가지로 나뉘고, 이 분자들이 결합하며 유리 내부의 네트워크를 형성한다.
 
결정의 경우 액체가 결정화되는 과정은 완전히 밝혀졌지만, 액체가 유리가 되는 유리 상전이는 베일에 싸여 있다. 일반적인 상전이는 열역학적 변수나 특성들이 불연속적으로 변화하는데, 유리 전이는 이 특성들이 연속적으로 변화한다. 유리 전이에 관한 이론은 매우 다양한데, 이 중 정설로 받아들여지는 것은 아직 없다. 이번 연구에서는 2~3마이크로미터 크기의 콜로이드 유리 입자로 이루어진 ‘콜로이드 유리’를 사용했다. 이 시스템은 실제 유리에서 유리형성자의 원자가 나타내는 많은 성질을 모방하고 있다.
 
-연구과정과 어려웠던 점
▲입자를 자극하는 방법에는 여러 가지가 있는데, 레이저로 입자를 고정시키는 광학집게나, 자기력, 혹은 직접 전단력을 가할 수도 있다. 극초단파 레이저를 이용하는 이번 연구의 아이디어를 실현시키기 위해서는, 레이저를 아주 좁은 구역에 집중시키면서 콜로이드 입자를 튕길 수 있을 만큼 큰 에너지가 필요했다. 레이저 전문가인 카이 로우 연구위원이 구상을 실현시킬 수 있는 레이저를 구현했다.
 
입자를 자극한 뒤에는 컴퓨터 프로그램으로 개별 입자 움직임을 추적했다. 그리고 이를 다각도로 분석해 임계점에서 입자들에 실제로 무슨 일이 일어나는지 해석했다.
기술적으로는 레이저를 4개 빔으로 나누는 것이 어려웠다. 이는 반응의 일반성을 확인하기 위해, 한 시스템에서 한 번에 4개 지점을 자극하기 위해서 필요했다.
 
-이번 연구의 의의 및 향후 연구 계획
▲이전에는 액체가 유리로 변하는 임계점에서 입자들에 어떤 일이 일어나는지 누구도 본 적이 없었다. 반면 임계점을 지나도 액체 상태와 유리 상태의 입자 배열이 비슷했기 때문에, 기존에는 케이지 형성이 서서히 연속적으로 이뤄진다고 생각했다.
 
이번 연구에서는 임계점에서 입자 이동성이 크게 증가함을 밝히고, 집합적인 움직임을 관찰했다. 이 집합적인 움직임은 고체에서 나타나는 특징으로, 개별 입자들이 연속적으로 움직이지 않고 깡총뛰기를 하는 것으로 해석된다. 이는 결정의 격자구조처럼 불연속적인 구조가 나타났다는 뜻이다.
 
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. 이번 연구는 2차원 콜로이드 유리에서 실험을 진행했는데, 연구진은 이를 3차원으로 확장하는 실험을 계획하고 있다. 또한 임계점에서 나타나는 케이지 형성 외에도 유리에는 흥미로운 현상들이 매우 많은데, 다른 현상들도 탐구할 계획이다.