해외과학기술동향/유리 형성 액체의 거동 조사
2014년 09월 05일
 
워싱턴 대학의 Kenneth Kelton과 그의 동료 연구진은 유리 전이가 발생할 때 유리 형성 액체의 거동을 조사하여 점성과 같은 유리 형성 액체의 벌크 특성이 구조와 같은 미세 특성과 강한 연관이 있다는 것을 밝혀내어 Nature Communications 저널에 발표하였다. 비록 사람들이 수천 년 동안 어떻게 유리를 만들 수 있는지를 알고 있지만, 유리 상태와 유리 전이는 아직도 완전히 알려져 있지 않다. 대부분의 유리를 만드는 데 사용되는 방법은 이 문제에 대한 힌트를 준다고 연구진은 말하였다.

액체는 결정화되지 않고 그것의 어는 온도 이하로 먼저 냉각되어야 한다. 이런 초냉각된 액체의 온도가 더 떨어지면, 액체는 더 점성을 가지게 된다. 궁극적으로 그것은 분자 또는 원자들이 더 이상 충분히 빨리 움직이지 않아 그것의 온도 변화를 따라 갈 수 없게 된다. 그리고 마침내 액체의 일부가 연속적으로 막혀 일정한 곳에 고정되기 시작한다.

액체에서 이런 유리 상태로 변하는 것은, 물이 얼음으로 변환되는 것과 같은 상전이가 아니다. 응결 온도에서, 물과 액체는 둘 다 열역학적 평형상태에 있게 된다. 즉, 그것들 안의 모든 것들은 균형을 이루고 어떤 것도 변화를 구동시키지 않는다. 반면에 유리는 어떤 온도에서도 평형 상태가 아니다. 오랫동안의 연구에도 불구하고, 유리 형성 과정은 아직도 과학자들에게 분명하지 않다.

점성이나 비열과 같은 유리 형성 액체의 벌크 특성만을 측정할 수 있는 상태이며, 과학자들이 해석할 수 있는 것은 부분적으로 그들이 측정한 데이터에 의존하는 정도이다. 그러나 과학자들은 이런 특성이 원자 수준에서 액체 구조 변화를 반영하고 있을 것이라는 것을 알고 있다. 유리 전이를 이해하는 것은 중요하다. 그 이유는 유리가 사람들이 생각하는 것보다 훨씬 더 일상적인 것이기 때문이라고 연구진은 말하였다.

이들 연구진이 발표한 유리 결정화에 관한 논문은 제약 산업에 종사하는 사람들이 인용할 정도로 다양한 분야에서 연구를 하고 있는 것이다. 제약 회사는 여러 이유 때문에 비정질 유리 상태의 약물을 개발하고 있다. 그러나 비정질 약물은 일반적으로 인체 내에서 더 잘 용해된다. 따라서 더 낮은 함량에서도 더 효과적으로 작용하는 것이다.
이들 연구진은 액체 파괴(liquid fragility)라고 불리는 특성을 연구하였다. 이것은 유리 형성에서 어떤 역할을 하는 것으로 보인다.

파괴라는 용어는 1995년에 Austen Angell에 의해서 만들어진 용어이다. 그는 현재 애리조나 주립 대학 화학과 교수로 재직하고 있다.
그는 유리 및 유리 형성 액체의 물리학을 연구하고 있다. 그는 액체 점성이 유리 전이에 접근하면서 급격히 증가하는 방식의 급격한 차이를 포착하기 위해서 새로운 용어가 필요하다고 생각되어 유리 형성과 전이에서 파괴라는 용어를 도입하였다.

일부 액체의 점성은 점진적으로 변하며 전이에 근접하면서 부드럽게 변한다. 그러나 다른 것들이 냉각되면, 점성은 처음에는 매우 약하게 변하지만 전이에 근접하면 갑자기 급격하게 변한다. Angell은 점성만을 측정할 수 있었지만 그는 첫 번째 종류의 액체를 강함이라고 명명하였으며 두 번째 종류는 약함이라고 명명하였다. 그 이유는 이런 구조적 차이가 관측한 차이를 만들어 낸다고 생각되었기 때문이다.

유리가 유리 전이 온도를 통해서 가열된다고 생각해보자. 만약에 그것이 강한 시스템이라면, 그것은 그것이 유리로서 가졌던 구조를 기억할 것이다.
이런 구조는 액체에서보다 더 정렬되어 있다. 그리고 그것은 전이를 통해서 구조가 그렇게 많이 변하지 않았다는 것을 나타낸다. 이에 비해서 약한 시스템은 그것의 유리 구조를 금방 잊어버린다. 이것은 그것의 구조가 전이를 통해서 크게 변한다는 것을 의미한다.

그러나 그것은 실험적으로 보여지지 않았다. 사람들은 점성의 변화는 몇 개의 중간 개념을 통해서 구조와 연관되어야만 한다고 주장하였다. 그 중에서 일부는 잘 정의되지 않았다. 이들 연구진이 한 것은 이런 중간 단계를 뛰어넘어 붕괴 또는 약함이 구조와 관련되어 있다는 것을 직접적으로 보여준 것이다. 이들 연구진은 새로운 장비를 제작한 덕분에 구조를 관측할 수 있었다. 이 장비는 워싱턴대학-빔라인 정전 부양기 또는 WU-BESL 이라고 불린다.

이 장비는 액체의 원자 구조를 연구하기 위해 특별히 디자인된 현미경의 일종이다. 이것은 전통적인 현미경이 세포를 관측할 수 있는 것과 비슷한 역할을 한다. WU-BESL은 우리가 익숙한 광학 현미경과 크게 다르지는 않다. 그렇지만 그것은 초냉각된 시료가 진공 안에서 부양되어 있다는 점에서 다르다. 따라서 시료는 용기와 접촉하고 있지 않다.

그리고 가시광선으로 시료를 관측하는 대신에, 그것은 강한 X-선으로 관측한다. 가시광선의 파장은 너무 길어 원자를 분해할 수 없다. 실험을 위해서 WU-BESL은 알곤 국립 연구소로 옮겨져 고등광소스에 설치되었다. 이 고등광소스는 강한 X-선 포톤의 빔을 방출하는 입자 가속기이다.

일단 부양되면, 시료는 고출력 레이저로 용해되며 그 후 냉각된다. 그것의 온도가 유리 전이를 향해서 내려갈 때 시료를 X-선포톤에 노출시키고 검출기는 산란 각도의 함수로 산란된 포톤의 세기를 측정한다.
산란된 데이터를 분석함으로써, 과학자들은 구조 인자의 그림을 얻을 수 있다. 이것은 원자 위치에 대한 정보를 포함하는 급속히 감소하는 높이의 피크로 진동하는 선이다. 연구진은 첫 번째 피크에 주목하였다. 이것은 액체의 평균 구조에서 변화와 가장 직접적으로 상응하는 부분이다.

Angell의 아이디어를 테스트하기 위해서, 과학자들은 가열시키고 냉각시켰다. 금속성 유리 형성 액체의 많은 시료들 중 일부는 강하고 다른 것들은 약한 것으로 분류되었다. 강한 액체 구조 인자는 액체에서 유리로 점차로 진행되었다. 그러나 약한 액체 구조 인자는 그것이 유리 전이에 접근하자 갑자기 가속되어 진행되었다.

그것은 Angell이 예측하였던 것이었다. 전이 온도 근처에서 액체의 원자 구조 변화율은 액체가 약한지 또는 강한지를 결정한다. 이 결과는 일부 기초 물리학을 이해하는데 도움을 준다. 그러나 Kelton은 또한 그것들이 실질적인 중요성을 가지고 있으며 유리 제조업체들에게 좋은 유리 형성을 위한 새로운 방법을 제공하여 줄 수 있다고 말하였다. 강한 액체는 좋은 유리 형성에 적합해 보인다. 약한 액체는 일반적으로 나쁜 유리를 형성한다. 연구진은 액체 구조가 어떻게 액체 유리의 형성과 연관되는지를 연구함으로써 새로운 응용을 위한 새로운 금속 유리의 발명이 가능하다고 말하였다.

첨부그림: WU-BESL안의 부양된 방울. 시료 상하의 전극은 유도에 의해서 그 표면을 대전시킨다. 그리고 그것은 진공 체임버 안에서 상승되며 정전 인력에 의해서 끌려간다. 이런 기술은 방울이 결정화되지 않고 고체화 될 수 있게 해준다.
(자료출처: http://radar.ndsl.kr, http://phys.org/)
 
보오미거울 상우회 정...
항진ENG/판유리 적제용...
영민케미칼/공장 확장...
필텍글라스/다양한 기...
수정유리공업(주)/제 2...
㈜삼양유리산업/복층유...
(사)한국판유리산업협...
벽산/국내 최대 규모 ...
수련잎 표면을 모방해...
LG.Philips LCD, 日本 ...
2004년 유리병 전년대...
2005 상하이 국제 건축...
회사소개 | 이용약관 | 광고안내 | 정기구독 | 회원가입 | 아이디분실 | 비밀번호분실