비정질 합금 유동 유닛 및 국지적 유동학 진화 법칙 연구

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-24

물, 공기와 같은 일반적인 유체(Conventional fluid)들은 외부에서 추가되는 응력에 대해 거의 순간 상태의 흐름 응답을 하는 특징을 보유하고 있다. 일반적인 유체의 이론 프레임워크는 현재 이미 완벽히 구축되었을 뿐만 아니라 항해와 항공 등 분야에서 중요한 역할을 발휘하고 있다. 하지만 유체의 점도가 극대화로 변화할 때 아스팔트, 과 냉각 금속 합금 용융체, 유리 형성 액체의 흐름 변화 행위와 법칙은 일상적인 유체와 완전히 다른 상황이다. 이런 흐름 변화 행위와 법칙 및 흐름 변화의 구조 응답에 대한 이해는 여전히 응집물질물리 및 재료 과학 난제로 되고 있다. 비결정 유리 상태 물질은 동력학 상에서 ‘냉동 액체’로 되고 있는데 이런 ‘냉동 액체’는 전체적으로 극대화된 평균 점도를 보유(유리 전이 온도가 Tg 수준보다 낮을 때 1012 Pa s 수준을 초월하지만 고온 금속 액체 점도는 10-4 Pa s 수준 밖에 되지 않고 있음)하고 있기 때문에 실험실의 시간 창구(일반적으로 수준보다 103 s 작음) 내에서 거시적 유동 행위에 대한 관찰은 거의 어려운 상황이다. 이런 거시 유동의 냉동도 실험실 시간 사이즈 상에서 보면 액체의 각종 상태 경력(Ergodic)이 유리 상태의 각 종 상태 경력 파괴(Broken-ergodic)의 경력으로 전환되는데, 이런 전환 과정이 바로 유리 전환 과정이다. 유리 전환 문제는 P. W. Anderson에 의해 현재 응집물질물리 분야에서 해결하지 못한 제일 어려운 미스터리 중 하나로 되고 있는 상황이다. 최근 과학자들은 유리 상태 물질 속 구조와 동적 불균형 특성에 대한 심층적인 연구를 통해 이런 냉동 과정은 모두 일치한 것이 아니고 유리 상태 속에서 부분적인 액체와 유사한 구역(liquid-like)이 존재한다는 연구 결론을 도출하고 있는 상황이다. 하지만 비결정 무 질서 구조 본질과 멀티 체 상호 역할의 복잡성 및 시간 관련성 때문에 과학자들은 실험 차원에서 유사 액체 구역에 대해 정밀 해석을 하지 못하고 있는 상황이다. 때문에 “어떻게 하면 비결정체 속에서 이런 국지 구역 역할을 식별해 낼 것인가”와 “어떻게 유리 전이와 형태 전이를 해석할 것인가”라는 두 가지 중요한 과제를 연결시킨 연구는 유리 본질 문제에 대한 이해를 추진하는 동시에 유리 상태 물질의 실제 응용을 추진하는 면에서 중요한 의미를 보유하고 있다. 비 결정 상태 합금(금속 유리라고도 함)은 토폴로지 구조 위상이 간단하게 등방성 메탈 본드(Metal bond)와 결합된 유리 상태 물질로서 유리 본질 특징과 특성을 연구하는데 있어서의 이상적인 시스템이 되고 있다. 중국과학원 물리 연구소 산하 ‘베이징(北京) 응집물질물리 국가 실험실(설립 중에 있음)’ 왕워이화(汪衛華) 연구원 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 금속 유리를 주요 연구 시스템으로 사용하여 비정질 합금(Amorphous alloys) 유동(flow) 법칙과 구조 기원(起源) 연구를 실행하고 여러 가지 혁신적 성과를 취득하여 이슈가 되고 있다. 연구팀은 최근 관련 실험과 컴퓨팅 시뮬레이션을 통해 비정질 합금 속에 존재하는 동력학 특성과 기판의 다양한 유형 액체 구역을 나타내는데 성공하였다. 이런 구역은 상대적으로 비교적 높은 자유 에너지, 비교적 낮은 밀도와 점탄성(Viscoelastic) 등 유동 특성을 보유하고 있으며 결정체 속의 결함 역학을 발휘할 수 있기 때문에 연구팀은 이런 구역을 유리 속의 유동 유닛(flow unit)으로 정의(定義)하고 있다. 연구팀은 원천적인 연구를 통해 유동 유닛은 동력학 행위의 차이 때문에 이완 행위(Relaxation behavior)로 특성 분석을 실행하여 동력학 유동 유닛 차원에서 유리 상태 물질의 본질 특성과 유동 변화 문제를 이해할 수 있도록 하였다. 연구팀은 지난 2012년도부터 유동 유닛 모델에 기반하여 관련 실험 및 이론 연구를 실행하고 여러 가지 혁신적 연구 성과를 취득한 상황이다. 지금까지 연구팀은 PRL 학술지에 3편, Nature Communications 학술지에 1편, APL 학술지에 4편, Acta Materialia 학술지에 1편의 논문을 발표한 상황이다. 최근 연구팀은 기존의 관련 연구 성과를 기반으로 하고 동적 역학 이완 스펙트럼과 개선된 넓은 온도 구역 간의 응력 이완 스펙트럼과 결합시키는 방식을 통해 일종 전형적인 La 기반 금속 유리 시스템에 대해 실온에서 유리 전이 온도 Tg 이상의 온도 구역 간 내부 유동 유닛의 진화와 상호 역할에 대해 계통적이고 상세한 연구를 실행하였다. 연구팀은 다양한 온도 하에서의 65개 라인 원 위치 측정을 통한 응력 이완 곡선에 대한 분석을 통해 비 정질 합금이 Tg보다 낮은 점의 실온 부근에서도 미약한 점탄성 유동 행위를 나타낸다는 점을 발견하였다. 연구팀은 비 정질 동력학의 불 균형성 분포 분석과 결합하여 이런 유형의 유사 액체 유동 행위는 주로 샘플 속 농도가 10%를 초월하지 않은 잠재적인 유동 유닛에 의해 발생된다는 점을 입증하였다. 연구팀은 이번 연구를 통해 측정 테스트 온도가 향상됨에 따라 유동 유닛 구역의 활성화 과정은 간단한 선성 관계가 아니라 가역성 활성화-유리 전이-전체 유동 3개 단계로 분류할 수 있을 뿐만 아니라 β 이완 활성 온도 부근에서 국지로부터 협동 활성화 전이하는 과정이 발생한다는 연구 결론을 도출하였다. 다양한 단계에서의 활성화 과정은 각각 대응되는 에너지 지형도 속에서 다양한 층의 레벨 에너지 밸리 사이에서의 전이 과정이 포함되고 있는 상황이다. 유동 유닛 농도는 전이 온도 부근에서 전통적인 임계 수분 흡수율 임계 값 수준에 도달할 뿐만 아니라 이런 활성화 과정은 본드 결합 간섭 이론 예측과 기본적으로 일치한 상황이다. 연구팀은 이번 연구를 통해 잠재적인 국지 유동 진화 과정과 비 정질 합금 전체 역학 행위 표현 간의 연계를 분석하였으며 유리 전이와 형태 변화 메커니즘 두 가지 중요한 과제를 유동 유닛의 활성화 과정과 연계시켜 초보적으로 비 정질 합금은 유리 상태에서 액체 상태 전이 과정에서의 몇 개 중요한 단계에 대한 종합적인 해석을 실행하였다. 연구팀의 이번 연구는 유리 본질과 유리 전이라는 응집물질물리 연구 분야에서 높은 관심을 받고 있는 난제 연구를 위해 새로운 아이디어를 제시하였으며 비 정질 합금 속 연성-취성 전이 발생을 이해하는데 필요한 과학적 근거를 제시하였다. 연구팀의 취득한 관련 연구 성과는 유리 상태 하에서의 비 정질 합금의 실제 응용 문제를 해결하는 면에서 일정한 가이드적 의미를 보유하고 있다. 연구팀의 관련 연구 성과는 과학저널 `네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 게재되었다(Nature Communications 5,5823 (2014)). 이번 연구는 국가자연과학기금위원회의 ‘기초과학 연구 프로젝트’ 비용, 국가과학기술부의 ‘중대 기초과학 연구 프로젝트(973 계획)’ 및 중국과학원 ‘기초과학 연구 프로젝트’ 비용 지원을 받아 추진되었다. 그림 1. 비 정질 합금 잠재 유동 변화와 거시 유동 변화 온도 구역 범위(a) 및 관련 위상과 대응되는 역학 유동 변화 행위 그림 2. 비 정질 합금 이완 스펙트럼 온도 변화의 3차원 그림 그림 3. 비 정질 합금 잠재 유동 변화 구역의 응력 이완 스펙트럼 20141223.jpg 20141223-1.jpg 20141223-2.jpg http://www.cas.cn/syky/201412/t20141218_4278261.shtml