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[한 토막 과학상식]IBS 연구진 최초로 관찰했다는 ‘케이지 형성’이란 무엇인가

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[한 토막 과학상식]IBS 연구진 최초로 관찰했다는 ‘케이지 형성’이란 무엇인가

2020.11.12 01:00
IBS 첨단연성물질 연구단, 유리의 케이지 형성이 서서히 일어난다는 기존 관념 뒤집어
콜로이드 유리를 펨토초 레이저로 자극한 상황을 나타낸 모식도. 오른쪽은 패킹계수가 0.5, 0.6, 0.7인 상태에서 레이저를 쏜 후 5초 후의 입자가 움직인 거리를 나타낸 그림으로, 움직이는 거리가 클수록 빨간색, 작을수록 파란색이다. 유리 전이가 시작되는 패킹계수는 입자들이 압축된 정도를 나타내며 유리 전이는 패킹계수가 0.6일 때 시작된다.
콜로이드 유리를 펨토초 레이저로 자극한 상황을 나타낸 모식도. 오른쪽은 패킹계수가 0.5, 0.6, 0.7인 상태에서 레이저를 쏜 후 5초 후의 입자가 움직인 거리를 나타낸 그림으로, 움직이는 거리가 클수록 빨간색, 작을수록 파란색이다. 패킹계수가 0.6일 때 움직이는 입자들이 가장 많다.

케이지 형성은 유리 입자가 주변 입자들에 둘러싸여 뭉쳐 크고 작은 덩어리를 만드는 현상이다. 유리는 고체 상태에서도 입자 배열이 불규칙해 마치 상의 경계가 없는 것처럼 보이는데, 이런 유리의 상태와 덩어리가 만들어지는 현상이 마치 케이지(울타리)를 친 듯 명확히 구분할 수 있어 이런 케이지 형성이라는 이름이 붙었다.

 

기초과학연구원(IBS) 첨단연성물질 연구단이 유리 입자의 독특한 성질 중 하나인 케이지 형성을 최초로 관찰했다고 12일 밝혔다. 이 연구는 국제학술지 네이처 12일자에 실렸다.

 

물은 일반적인 액체와 달리 4도에서 부피가 최소가 되는 현상이 나타난다. 이와 비슷하게 유리는 입자의 압축된 정도를 나타내는 ‘패킹계수’가 0.6인 순간에 점성이 급격하게 변하거나 입자의 움직임이 불균일해지는 등 다양한 물리 현상이 나타난다. 가장 대표적인 현상이 바로 케이지 형성이다. 

 

입자 배열이 불규칙한 고체 유리가 단단할 수 있는 이유도 케이지 형성 때문이라고 알려져 있지만, 기존에는 외부 자극이 없는 상태에서 전체 유리 입자의 평균적인 움직임을 추적하는 데 그쳐 케이지 형성을 실제로 관찰하거나 형성 기전이 밝혀지지 않았다. 

 

연구팀은 유리의 입자 단위의 움직임을 알아내기 위해 크기가 1~100마이크로미터(1마이크로미터는 100만분의 1미터)여서 관찰이 쉽고 작은 에너지에도 민감하게 반응하는 콜로이드 유리를 이용했다. 그리고 직접 개발한 펨토초 레이저로 콜로이드 유리를 자극한 후 개별 유리 입자가 주변으로 퍼져나가는 모습을 컴퓨터로 분석했다. 펨토초 레이저는 레이저 발사 시간을 1000조분의 1초로 압축해 순간 세기를 높인 레이저다.

 

실험 결과 패킹계수가 0.6인 순간 유리에 자극이 가해졌을 때 유리 입자의 이동이 가장 활발하며 입자들이 집단을 이뤄 움직인다는 사실을 발견했다. 개별적으로 움직이던 입자들이 집단적으로 움직인다는 건 유리 입자가 케이지 구조를 이뤘다는 걸 뜻하고, 패킹계수가 0.6인 순간을 기점으로 유리 입자의 움직임이 급격하게 변한다는 점을 시사한다.

 

연구에 참여한 보 리 선임연구원은 “첨단 산업에서 중요한 물질인 유리의 케이지 형성은 오랫동안 밝혀지지 않았다”며 “펨토초 레이저를 이용해 유리 속 입자 하나를 자극할 수 있었고, 유리 입자의 움직임 변화를 포착할 수 있었다”고 설명했다.

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