유리의 비밀을 풀다.. '케이지 형성' 첫 관찰

유리 입자끼리 뭉치는'케이지 형성' 처음 관찰
유리 이해와 응용성 확대에 기여

평면의 유리 입자들을 레이저로 자극하는 모식도와 사진.

[아시아경제 황준호 기자] 우리가 흔히 보는 유리가 액체에서 단단한 유리로 변하는 임계점에서 유리 입자의 움직임이 처음으로 포착됐다. 유리 입자의 움직임을 이해할 수 있는 단초를 제공하는 연구로, 향후 유리에 새로운 성질을 부여하는 신소재를 개발하는데 기여할 것으로 예상된다.

스티브 그래닉 기초과학연구원 첨단연성물질 연구단 단장과 보 리 선임 연구원은 프랑스 국립과학연구센터와 함께 액체가 단단한 유리로 변하는 임계점에서 유리 입자의 움직임을 처음으로 규명했다. 관련 연구 결과는 국제 학술지인 네이처에 12일 실렸다.

유리의 케이지 형성을 확인

패킹 계수 별 시간에 따른 입자 움직임 분석.

유리는 단단하지만 특정 임계 온도부터 점성이 높아지는 성질을 갖고 있다. 이는 유리 입자가 주변 입자들에게 둘러싸여 움직이지 못하는 '케이지 형성'을 이루기 때문으로 알려져 있다. 다만 현재까지 케이지 형성을 실제로 관찰한 사례는 없다. 이런 상황에서 연구팀은 개별 유리 입자를 자극해 임계점에서 입자의 이동성이 늘어나는 현상과 집합적인 움직임을 보이는 것을 최초로 관측했다.

연구팀은 콜로이드(1~100㎛) 크기의 유리 입자를 자극할 수 있을 만큼 강하고 집중된 펨토초 레이저(에너지를 압축해 세기를 높여 1015분의1초 간 쏘는 레이저) 개발했다. 이어 한 개의 유리 입자를 자극한 뒤 주변 입자들로 움직임이 퍼져 나가는 양상을 분석했다.

유리 입자 임계점에서 군대처럼 움직여

임계점에서 집합적으로 움직이는 유리 입자.

실험 결과 유리 입자는 임계점에서 가장 많이 멀리 이동하는 것을 관찰했다. 연구팀은 임계점에서 입자들이 움직이기 쉬운 상태, 그러니까 변형되기 쉬운 상태를 처음으로 규명한 것이라고 설명했다.

제1저자인 보 리 선임연구원은 "첨단 산업에 중요한 물질인 유리의 케이지 형성 원리는 오랫동안 밝혀지지 않았는데 레이저를 이용해서 유리 시스템 속 입자 하나를 튕겨, 이를 통해 유리 입자의 움직임 변화를 포착할 수 있었다"고 설명했다.

연구팀은 또 유리 입자가 케이지 형성의 특징인 집합적 움직임을 나타낸다는 것을 발견했다. 연속적이고 개별적으로 움직이던 입자들이 임계점에서 군대처럼 집합적으로 움직이는 현상을 관찰한 것이다.

연구팀 측은 "이번 연구로 유리 전이가 서서히 일어난다는 기존 관념을 뒤집고, 임계점에서 입자가 움직이는 방식이 근본적으로 변화한다는 것을 밝힌 연구"라고 평가했다. 이어 "유리를 근본적인 수준에서 이해할 수 있게 돼, 향후 유리에 새로운 성질을 부여하는 신소재를 개발까지 가능할 것"이라고 예상했다.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr