연구자들은 결정에 대한 우리의 이해를 변화시킵니다

2023년 5월 18일

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Rensselaer Polytechnic Institute의 Katie Malatino 작성

대부분의 사람들은 크리스털을 생각할 때 무지개 프리즘 역할을 하는 선캐처나 치유력이 있다고 믿는 반투명 돌을 떠올립니다. 그러나 과학자와 엔지니어에게 결정은 그 구성 요소(원자, 분자 또는 나노입자)가 공간에 규칙적으로 배열된 물질의 한 형태입니다. 즉, 결정은 구성 성분의 규칙적인 배열로 정의됩니다. 일반적인 예로는 다이아몬드, 식탁용 소금 또는 각설탕이 있습니다.

그러나 Rensselaer Polytechnic Institute의 화학 및 생물 공학과 부교수 이상우가 이끄는 팀은 Soft Matter에 최근 발표된 연구에서 결정 구조가 항상 규칙적으로 배열되는 것은 아니라는 사실을 발견했습니다. 이번 발견은 재료 과학 분야를 발전시켰으며 반도체, 태양광 패널, 전기 자동차 기술에 사용되는 재료에 대해 실현되지 않은 영향을 미쳤습니다.

결정 구조의 가장 일반적이고 중요한 클래스 중 하나는 벌집 배열로 구 층을 쌓아 만든 일반 구의 밀집된 구조입니다. 밀집된 구조를 만들기 위해 층을 쌓는 방법에는 여러 가지가 있으며, 자연이 특정 적층을 어떻게 선택하는지는 재료 및 물리학 연구에서 중요한 질문입니다. 조밀 패킹 구조에는 2차원 육각형 층(RHCP)의 무작위 적층으로 알려진 불규칙한 간격의 구성 요소가 있는 매우 특이한 구조가 있습니다. 이 구조는 1942년에 코발트 금속에서 처음 관찰되었지만 과도기적이며 에너지적으로 바람직하지 않은 상태로 간주되었습니다.

이 교수 연구팀은 고분자로 만들어진 연질 모델 나노입자로부터 X선 산란 데이터를 수집한 결과, 산란 데이터가 RHCP에 관한 중요한 결과를 담고 있지만 매우 복잡하다는 사실을 깨달았다. 그런 다음 Rensselaer의 화학 및 생물 공학과 교수인 Patrick Underhill은 전산 혁신 센터에서 슈퍼컴퓨터 시스템인 AiMOS(인공 지능 다중 처리 최적화 시스템)를 사용하여 산란 데이터 분석을 가능하게 했습니다.

"우리가 발견한 것은 RHCP 구조가 안정적인 구조일 가능성이 매우 높다는 것이며, 이것이 RHCP가 많은 재료와 자연적으로 발생하는 결정 시스템에서 널리 관찰되는 이유입니다"라고 Lee는 말했습니다. "이번 발견은 결정의 고전적인 정의에 도전합니다."

이 연구는 RHCP 및 기타 밀집된 구조의 형성을 가능하게 하는 다형성으로 알려진 현상에 대한 통찰력을 제공합니다. 다형성을 지닌 대표적인 소재로는 탄화규소가 있는데, 이는 전기자동차의 고전압 전자부품과 방탄복용 경질 소재로 널리 사용된다. Lee 팀의 연구 결과는 이러한 다형 재료가 새로운 유용한 특성을 갖는 비고전적 무작위 배열을 포함하여 지속적인 구조 전이를 가질 수 있음을 나타냅니다.

"부드러운 입자가 어떻게 포장되는지에 대한 문제는 간단해 보이지만 가장 기본적인 질문조차도 대답하기가 어렵습니다."라고 이 연구와 관련이 없는 University of Minnesota-Twin Cities의 Kevin Dorfman이 말했습니다. "이 논문은 FCC(면심 입방체) 격자와 HCP(육각 조밀 충전) 격자 사이의 연속적인 전이에 대한 설득력 있는 증거를 제공합니다. 이는 그들 사이에 안정적인 무작위 육각형 조밀 위상이 있음을 의미하며, 따라서 재료 과학에서 중요한 돌파구를 마련합니다. ."