액체와 고체의 중간 상태인 유리
도쿄대학(도쿄대학)은 10월 16일, 유리중의 분자의 열운동을 컴퓨터 시뮬레이션에 의해서 상세하게 관찰·해석한 결과, 통상의 고체에서는 일어날 수 없는, 특이한 분자운동이 생기고 있는 것을 발견했다고 발표했다.
약 200년에 걸친 수수께끼가 해명 - 산업기술 종합연구소, 유리의 기본 구조 '올트규산'의 구조 해석에 성공
이 성과는 도쿄대 대학원 종합문화연구과 미즈노 히데요시 조교, 이케다 마사시 준교수, 중국 상하이 교통대 톤후아 준교수, 프랑스 그르노블대 모사 스테파노 교수 등의 국제 공동연구팀에 의한 것.
자세한 것은, 미 물리학 협회 발행의 학술 잡지 「The Journal of Chemical Physics」에 게재되었다.
우리주변에 있는 고체는 크게 결정과 유리로 나뉜다.
물리학적으로 단지 고체라고 할 때는 결정을 가리키며, 유리는 매우 친근한 물질이지만 조금 특수하다.
유리에는 실리카 유리, 금속 유리, 세라믹, 플라스틱 등이 있다.
결정과 유리의 분자 수준에서 큰 차이는 결정은 분자가 규칙적이고 주기적으로 배치되어 있는데 반해 유리는 분자가 불규칙하고 랜덤한(주기성이 없는 규칙성) 상태로 배치되어 있다는 점이다.
유리는 액체를 급랭함으로써 얻어진다.액체를 식혀 가면 분자의 열운동이 점점 느려지고, 이윽고 액체의 불규칙 ·랜덤하게 분자배치된 채 운동이 동결되어 유리가 된다.
유리화란 배치변화를 동반하지 않는 동역학적 고화 과정 을 말하며 규칙적인 분자배치(격자구조)로의 변화를 수반하는 열역학적 전이인 결정화와는 완전히 다른 것이다.
또한 결정에서 분자는 어느 하나의 배치(규칙적인 격자구조) 주위를 진동하고 있다.
이 분자의 진동운동은 음파 또는 포논으로 이해되고 있으며, 이로 인해 예를 들어 열용량이나 열전도율이 온도의 제곱으로 증가 한다고 한 고체물성을 설명하는 것이 가능하다.
그에 반해 유리에 있어서는 분자의 진동운동만으로는 설명할 수 없는 물성이 있음이 오랫동안 지적되어 왔다.
요점은 유리의 분자운동에는 진동 이외에 뭔가 다른 운동이 있다는 것을 시사했다는 점이다.
국제공동연구팀은 이번 연구에서 컴퓨터를 이용한 분자 시뮬레이션에 따라 유리 속 분자의 열운동을 자세히 관찰 해 해석했다.
분자 시뮬레이션은 물질을 구성하는 분자 하나하나의 운동을 물리법칙에 준하여 모의함으로써 물질 전체적 으로 발생하는 물성이나 현상을 분자 수준에서 조사하는 것을 가능하게 하고 있다.
시뮬레이션 결과, 유리중의 분자는, 통상의 고체(결정)의 분자와 같이 진동 운동을 실시하지만, 진동 운동과 더불 어, 「재배치」를 끊임 없이 실시하고 있는 것이 판명 되었다고 한다.
이번에는 25만6000개 분자로 구성된 유리의 분자 시뮬레이션이 실시됐다.
또 분자의 재배치는 공간적으로 국소현상 상태로 되어 있으며, 1회 재배치로 10에서 1000개 규칙 분자가 변위 되어 분자 배치가 바뀌는 것도 밝혀졌다.
물질은 몰규칙의 방대한 분자로 구성되기 때문에 101000개 분자의 재배치는 미시적인 현상이라고 할 수 있다.
유리의 분자운동은 이처럼 미시적인 국소상태로된 재배치를 끊임없이 하면서 분자 배치를 시시각각 바꿔가며 진동운동을 한다는 것이다.
즉, 이 미시적인 재배치는 유리가 액체적인 성질을 가졌다는 것을 보여준다는 것이다.
단 유리 속 분자는 액체의 유동처럼 돌이킬 수 없이 먼 곳으로 확산되지는 않으며 어디까지나 구속된 공간 내에서 재배치를 반복하면서 가역적으로 운동한다는 것이 이 미시적 재배치의 중요한 포인트다.
요점은 액체처럼 유동하는 운동이나 고체처럼 하나의 배치 주위를 진동하는 운동과는 다르며 이들 운동의 중간적인 위치라고 할 수 있다는 것이다.
오래전부터 유리는 고체인가 액체인가라는 질문이 계속 나왔지만 이번 발견은 유리가 고체와 액체의 중간 상태임 을 결정하는 것으로 오랜 의문에 대한 명확한 답을 줄 것 으로 보고 있다.
또한 이 미시적 재배치 현상을 고체의 안정성이과는 다른 각도에서 보면 미시적인 '파괴 현상'으로 볼 수 있다는 것이다.
이번 현상에서는 유리의 미시적인 파괴(=재배치)가 아주 적은 열(온도)을 가해도 발생한다는 것이 확인되었다.
이는 유리가 아슬아슬한 위치에서 안정성을 유지하고 있는 고체, 즉 "한계 안정 고체"라고 할 수 있다는 것이다.
물질을 액체상태로부터 냉각시켜 나가면 불안정성이 점점 해소되어 가고, 마침내 안정성을 얻은 타이밍에 고화 과정이 멈추어 유리가 형성된다고 생각할 수 있다.
이 때 얻은 유리는 마침 불안정 영역과 안정영역의 경계선상에서 멈춘 상태, 즉 한계안정 상태에 있다고 생각할 수 있다고 했다.
유리의 한계 안정성은 액체가 유리로 고화되는 과정에서 나온다고 생각하기 때문에 유리의 이해를 더 얻기 위해서 는 형성과정으로 거슬러 올라가 연구를 진행하는 것이 중요하다고 한다.
이번에 밝혀진 분자의 미시적 재배치에 의해서, 지금 까지의 열진동만으로는 설명이 되지 않았던 유리의 물성이나 현상을 포함해 유리의 기본적인 이해가 확립되는 것을 기대할 수 있다고 말하고 있다.
(-15%)
http://stylec.co.kr/shop/item.php?it_id=1599458631&cid=3156541440
길단 남녀공용 기모 무지 후드티 88500 화이트
stylec.co.kr
디스커버리 옆주머니 신상후리스
COUPANG
www.coupang.com
“파트너스 활동을 통해 일정액의 수수료를 제공받을 수 있음"
'과학,IT,TECH' 카테고리의 다른 글
| 오스트레일리아 서식하는 '바구니형 거미줄'에는 '발수 효과와 먹이를 유인하는 특수한 실'이 사용되고 있었다. (0) | 2020.10.26 |
|---|---|
| 태양광 패널 표면에 '단순한 모양'을 추가하는 것만으로도 빛의 흡수 효율이 2배 이상 높아진다는 연구 결과 (0) | 2020.10.20 |
| 드디어 최초로 '상온에서의 초전도'를 구현! 세상을 변화시킬 한 걸음의 전진 (0) | 2020.10.16 |
| "인체가 계속 진화하고 있는 증거"를 발견?팔뚝 부분에 '제3의 동맥'을 가진 사람들이 증가하고 있다 (0) | 2020.10.12 |
| 개코가 축축하게 습기가 차는 것은 "사냥하는 데 도움이 되기 위한 것"일지도 모른다 (0) | 2020.10.11 |
