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국내 연구진, 불규칙한 입자 운동 명쾌히 설명할 공식 찾아

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국내 연구진, 불규칙한 입자 운동 명쾌히 설명할 공식 찾아

2019.06.13 17:54
성재영(왼쪽) 중앙대 화학과 교수와 김지현(오른쪽) 세포화학동력학 교수 공동연구팀이 세포환경과 같은 복잡 액체에서도 일관되게 성립하는 분자들의 수송방정식을 발견했다. 아인슈타인의 브라운 운동 이론이나 그 후 등장한 많은 이론들로도 풀 수 없었던 현대물리학의 난제를 해결했다. 한국연구재단 제공
성재영(왼쪽) 중앙대 화학과 교수와 김지현(오른쪽) 세포화학동력학 교수 공동연구팀이 세포환경과 같은 복잡 액체에서도 일관되게 성립하는 분자들의 수송방정식을 발견했다. 아인슈타인의 브라운 운동 이론이나 그 후 등장한 많은 이론들로도 풀 수 없었던 현대물리학의 난제를 해결했다. 한국연구재단 제공

국내 연구팀이 액체 속 입자의 불규칙한 운동을 설명할 공식을 알아냈다. 


성재영 중앙대 화학과 교수와 김지현 세포화학동력학 교수 공동 연구팀이 세포환경과 같은 복잡 액체에서도 일관되게 성립하는 분자들의 수송방정식을 발견했다고 13일 밝혔다.


천재 물리학자 알베르트 아인슈타인은 1905년 ‘브라운 운동’하는 입자들의 이동 양상을 예측할 수 있는 방정식을 제시했다. 열 운동이라고도 불리는 브라운 운동은 꽃가루가 물에 떠서 끊임없이 움직이는 것과 같은 불규칙한 운동을 뜻한다. 아인슈타인은 주위에 있는 액체분자에 의한 충돌 때문에 브라운 운동이 발생한다고 주장했다. 


그가 제시한 방정식은 입자의 크기가 크고 액체가 균일할 때는 정확했다. 하지만 여러 분자나 입자가 섞여 있는 복잡 액체에서는 맞지 않았다. 복잡한 액체 속 입자 운동은 시간에 따라 양상이 변화하는데 그 양상이 복잡 액체의 종류에 관계없이 비슷했다. 입자들은 아주 짧은 시간 동안은 총알처럼 관성운동을 한다. 곧 매우 느린 아확산운동과 그보다 빠른 확산운동을 차례로 한다. 확산운동은 물에 잉크를 떨어뜨리는 퍼지는 것과 같은 현상을 일컫으며, 아확산운동은 확산보다 상대적으로 느리게 퍼지는 상태를 뜻한다.


시간에 따라 입자의 이동거리가 정규분포에서 벗어나는 정도는 늘어나다 다시 줄어든다. 이 현상은 아인슈타인의 브라운 운동 이론이나 그 후 등장한 많은 이론들로도 설명할 수 없어 현대 통계 물리학의 난제 중 하나였다.


연구팀은 복잡한 액체 속 입자의 이동을 일관적으로 설명하기 위해 주변의 미시적 환경에 따라 운동성이 바뀌는 ‘무작위 운동입자’ 모델을 제안했다. 무작위 운동입자 모델은 입자의 움직임을 매 걸음마다 무작위적으로 방향을 선택해 연속적으로 이동하는 것을 나타냈다.

 

연구팀은 무작위 운동입자모델로부터 아인슈타인과 다른 새로운 수송 방정식을 얻었다. 새로운 방정식은 과냉각된 물 분자의 운동, 이차원 강체 입자 유체 운동, 일차원 인지질 튜브 위를 움직이는 콜로이드 입자의 운동을 포함한 다양한 복잡 유체계의 입자나 분자의 운동을 일관되게 설명하는 것으로 확인됐다. 


성 교수는 “이 연구는 통계물리학 분야의 난제인 복잡 유체 내 분자 열운동과 수송 현상을 설명할 수 있는 일반적인 방정식과 해를 찾아낸 것”이라며 “세포 내 효소와 생체 고분자들의 열운동을 통해 일어나는 다양한 생명 현상들을 물리화학적으로 이해하고 예측하는 데 우선 응용할 계획”이라고 밝혔다.


이번 연구결과는 국제학술지 ‘미국립과학원회보(PNAS)’ 11일자에 발표됐다.

 

기존의 통상적 무작위 운동입자 모델 (위) 및 연속시간 무작위 운동입자 모델 (중간)은 세포 및 복잡액체 내 비정규적 확산을 정량적으로 설명할 수 없으나, 주변 환경의 동적 변화를 고려한 역동적 연속시간 무작위 운동입자 모델 (아래)은 다양한 복잡액체 계 분자 및 입자들의 비정규수송 현상을 일관되게 설명할 수 있다. 한국연구재단 제공
기존의 통상적 무작위 운동입자 모델 (위) 및 연속시간 무작위 운동입자 모델 (중간)은 세포 및 복잡액체 내 비정규적 확산을 정량적으로 설명할 수 없으나, 주변 환경의 동적 변화를 고려한 역동적 연속시간 무작위 운동입자 모델 (아래)은 다양한 복잡액체 계 분자 및 입자들의 비정규수송 현상을 일관되게 설명할 수 있다. 한국연구재단 제공


 

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