비정질 암시적 토폴로지 순서 연구

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-27

비정질 유리(Amorphous Glass)는 인류 역사상 사용한 시간이 제일 오래되고 사용 범위가 제일 넓은 재료 중의 하나로서 인류 생활과 밀접히 관련되어 있는 상황이다. 금속 유리(metallic glasses)(비정질 합금이라고도 함)는 현대 급속 응고 야금 기술을 이용하고 금속 합금 용융체의 결정화를 차단하여 합성하는 일종 신형 비정질 재료에 속한다. 금속 유리에서의 ‘금속’이라는 개념은 이런 재료가 금속 재료를 용해 및 제련하여 제조했다는 의미에서의 ‘금속’ 개념에 속하며, ‘유리’는 일상 생활에서의 유리가 아니라 일종 유리 상태 구조를 보유했다는 의미에서의 ‘유리’이다. 금속 유리는 금속과 유리 특성을 동시에 보유하고 있기 때문에 다양하고 우수한 역학, 물리, 화학 성능을 보유하고 있으며 재료, 공정, 에너지, 국방 및 항공, 우주 등 분야에서 폭넓은 응용 전망을 보유하고 있는 상황이다. 금속 결정체와 달리 금속 유리의 원자 배열은 장 거리 순서를 보유하고 있다. 하지만 관련 연구 결과를 보면, 금속 유리 속에는 짧은 거리, 심지어 중간 거리가 존재하고 있는 것으로 나타났다. 지금까지 금속 유리의 원자 배열 본질에 대해서 과학자들은 명확한 해석을 하지 못하고 있으며 금속 유리의 원자 배열 본질을 해석하기 위한 과학연구 과제는 응집물질물리 및 재료 과학 분야에서 제일 기본적이고 제일 흥미로운 과학연구 과제 중 하나로 되고 있는 상황이다. 금속 결정체에 있어서 미시 원자 구조는 현대 미시 구조 분석 및 X-레이 회절 등 표면 특징 분석 수단을 이용하여 확정하게 된다. 하지만 관련 분석 및 표면 특징 분석 수단이 금속 유리의 구조에 대한 분석 결과가 매우 제한되어 있는 상황이며, 다양한 금속 유리가 거의 모두 유사한 분산 회절 패턴 및 폭넓은 회절 특징 피크(그림 1. 참조)를 보유하고 있기 때문에 다양한 금속 유리 미시 구조의 차별화를 보기가 매우 어려운 상황에 속해 있는 것으로 나타났다. 그렇지만 금속 유리의 강도와 인성과 같은 역학 성능은 오히려 매우 큰 차이를 보이며, 다양한 금속 유리의 열 안정성과 유리의 형성 능력도 다른 것으로 나타났다. 이런 상황은 모두 금속 유리의 미시 원자 구조가 모두 다르다는 점을 의미하고 있다. 기존의 구조 표면 특징 분석 기술과 수단은 모두 결정체 재료에 기반하여 발전한 상황이며 일상적인 분석 방법은 다른 금속 유리의 미시 구조 차별화를 구분하기 어려운 상황이다. 과학자들은 현재 다음과 같은 두 가지 내용에 대해 큰 중시를 돌리고 있는데, 하나는 “이런 폭넓은 회절 특징 피크가 금속 유리 원자 배열 면에서 모종의 법칙을 암시하고 있지는 않는지”이고, 다른 하나는 “금속 유리의 구조는 금속 결정체처럼 한 개 통일적인 법칙을 따르고 있지는 않는지”이다. 중국과학원 물리 연구소 산하 베이징(北京) 응집물질물리 국가 실험실(설립 중에 있음) 왕워이화(汪衛華) 연구원 연구팀은 최근 중국 런민(人民)대학 물리학부 리마오즈(李茂枝) 연구원 연구팀, 베이징(北京)대학 공대 류카이신(劉凱欣) 교수 연구팀과 공동 연구를 실행하고 분자 동력학 시뮬레이션 방법을 이용하여 대표적 특성을 보유한 금속 유리 구조의 회절 피크 특징에 대한 상세하고 세부적인 분석을 실행하였다. 연구팀은 이번 연구를 통해 회절 특징 피크 배후의 암시적(Implicit) 금속 유리 속 프로세스 구조 정보를 발견한 동시에 일종 새로운 금속 유리 구조 속 프로세스 특징 분석을 실행하는 방법을 개발하였다. 단일 품질 금속 유리의 암시적 중간 거리 프로세스는 관련 금속 결정체 속의 구(球) 사이클 순서와 밀접히 관련 되어 있는데 이런 상황은 유리 형성 과정 중의 단일 품질 금속 유리는 부분적인 결정체 구 사이클 순서를 계승하였다는 점을 의미하고 있다. 동시에 이런 상황은 금속 유리와 금속 결정체 사이에는 단순하지 않은 구조 동종성(Homology)을 보유하고 있다는 점을 의미하고 있다. 금속 유리 시스템 속 화학 구성 요소가 증가됨에 따라 이런 중간 거리 사이즈 상에서의 암시적 프로세스 종류도 점차 증가되고 있는 상황이다. 연구팀은 이번 연구를 통해 암시적 토폴로지 순서(topological order)는 예외 없이 부분적인 면심 입방 체심 혹은 입방 결정 격자 구조의 구 사이클 순서를 계승한다는 점을 발견(그림 2. 참조)하였을 뿐만 아니라 계승한 다양한 구 사이클 순서의 암시적 토폴로지 순서 사이에 토폴로지 얽힘 현상이 발생한다는 점을 발견하였다. 이번 발견은 금속 용융 냉각 과정에서의 구조 좌절이 형성되어 금속 용융체가 결정화를 발생시키고 최종적으로 유리 상태를 형성하는 과정을 위해 한 개 새로운 미시적 구조 진화 물리 이미지를 제공해 주었다. 연구팀의 이번 연구 결과는 금속 유리의 암시적 토폴로지 얽힘 정도가 강한지 아니면 취약한지는 동 금속 합금 시스템의 유리 형성 능력과 뚜렷한 대응 관계를 보유하고 있다는 점을 입증해 주고 있다(그림 2. 참조). 이번 연구 결과는 관련 실험을 통해 유리를 형성시키는 능력이 강한 금속 합금 시스템에 대한 탐색을 위해 새로운 이론적 아이디어를 제공해 주고 있다. 이번 연구 성과의 달성은 금속 합금 유리 형성 능력이 강하고 취약한 경험 원칙인 ‘혼란 원칙’에 대한 평가를 위해 미시적 구조 해석을 제공한 동시에 비정질(Amorphous) 재료 회절 데이터의 암시적 미시 구조 정보에 대한 한층 더 심층적인 분석과 이해를 위해 새로운 분석 방법과 아이디어를 제공해 주고 있다. 연구팀의 관련 연구 성과는 ‘Hidden topological order and its correlation with glass-forming ability in metallic glasses’라는 테마의 과학연구 논문으로 정리되어 지난 1월 12일 세계적인 과학 전문지 네이처의 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션(Nature communications)’에 게재되었다(Nature Communications 6, 6035(2015)). 이번 연구는 국가자연과학기금위원회의 ‘기초과학 연구 프로젝트’ 비용, 국가과학기술부의 ‘중대 기초과학 연구 프로젝트(973 계획)’ 비용 및 중국과학원의 ‘기초과학 연구 프로젝트’ 비용 지원을 받아 추진되었다. 그림 1. (a) 금속 유리의 고 해상도 투사 전자 현미경 사진임. 삽입 사진은 선별 구역 전자 회절 패턴임. (b) 다양한 금속 유리 시스템의 X-레이 및 중성자 산란 구조 인자임. 그림 2. 면심 입방(fcc) 및 체심 입방(bcc) 결정 격자 구조의 표준 구조 스펙트럼임. 붉은색 선과 파란색 선은 각각 표준 스펙트럼 중의 fcc 및 bcc 결정 격자 구조 중의 원자 간 거리의 특징 수치를 대표하고 있음. 금속 유리에 대해 부분적인 관련 함수의 특징 피크가 표준 스펙트럼 속의 특징 수치를 유전 받은 것으로 나타남. 이런 상황을 통해 금속 유리의 암시적 토폴로지 순서는 표준 결정체 구조 스펙트럼 속에서 한 개 혹은 여러 개 특징 수치 순서 서열을 유전 받아 형성되었다는 점을 보아낼 수 있음. 일반적으로 화학 성분이 증가됨에 따라 더욱 많은 암시적 토폴로지 순서가 유리 형성 과정에서 계승을 통해 형성되고 있는 것으로 나타남. 더욱 많은 암시적 순서를 계승하게 된다면 동 금속 합금 시스템의 유리 형성 능력이 더욱 강하다는 점을 의미하고 있음(GFA: glass-forming ability). 20150126.1.jpg 20150126.1-1.jpg http://www.cas.cn/syky/201501/t20150120_4302365.shtml