액체에서 유리로 변하는 과정은? 입자 움직임 알아냈다

[이데일리 강민구 기자] 국내외 연구진이 액체가 단단한 유리로 변하는 임계점에서 유리 입자의 움직임을 처음 규명했다. 유리 전이가 서서히 일어난다는 기존 관념을 뒤집고, 임계점에서 입자가 움직이는 방식이 근본적으로 변화한다는 사실을 알아낸 것이다.

기초과학연구원(IBS)은 스티브 그래닉첨단연성물질 연구단장과 보 리 선임연구원이 프랑스 국립과학연구센터 연구팀과 이 같은 연구성과를 냈다고 11일 밝혔다.

임계점에서 집합적으로 움직이는 유리 입자.(자료=기초과학연구원)

유리의 입자 배열은 액체와 비슷하다. 유리는 높은 온도에서는 액체였다가 온도가 내려가면서 유리가 된다. 특정 임계온도부터 유리의 특징인 높은 점성이 나타난다. 유리는 주변 입자들에 둘러싸여 입자가 움직이지 못하는 ‘케이지 형성(cage formation)’ 때문에 단단해지는 것으로 알려졌다. 이 지점에서 입자들의 케이지 형성이 실제 관찰된 적이 없었다.

연구팀은 개별 입자를 자극해 임계점에서 입자의 이동성 증가와 집합적인 움직임을 처음 밝혀냈다.

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

연구팀은 개별 콜로이드 입자를 자극할 수 있을 만큼 강하고 집중된 펨토 초 레이저를 개발하고, 레이저로 입자 한 개를 자극한 뒤 주변 입자들로 움직임이 확산하는 양상을 분석했다.

실험 결과 임계점에서 입자 이동성이 가장 많이 증가하고, 케이지 형성의 특징인 집합적 움직임을 나타냈다.

연구팀은 임계점에서 입자들이 가장 많이, 멀리 이동함을 관찰했다. 임계점에서 입자들이 움직이기 쉽고, 변형되기 쉬운 상태임을 처음 규명했다.

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

연구팀은 유리를 근본 수준에서 이해함으로써 유리에 새로운 성질을 부여하는 신소재를 개발할 수 있을 것으로 기대했다.

보 리 선임연구원은 “첨단 산업에 중요한 물질인 유리의 케이지 형성 원리는 오랫동안 밝혀지지 않았다”며 “레이저를 이용해서 유리 시스템 속 입자 하나를 튕기고, 유리 입자의 움직임 변화를 포착했다”고 설명했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처(Nature)’에 12일자로 게재됐다.