브리스톨 대학과 교토 대학의 연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션 및 정보 이론을 조합한 연구를 통해, 유리 상태의 물질 중에서 고체인 영역과 액체인 영역이 혼재하지만, 저온 고밀도일수록 고체적 영역의 크기가 증가하고, 그 영역에서 분자가 특정 기하학적 구조(예를 들어 정20면체, 아래 그림)로 조직화되어 있는 것을 발견했다. 이 결과는 유리가 확실히 고체임을 보여주는 강력한 증거이다.
본 연구 성과는 2015년 1월 22일(영국 시간) 지정 영국 과학 잡지 "Nature Communications" 전자 속보판에 게재되었다. 본 연구 성과의 보도 자료는 교토 대학과 브리스톨 대학(영국)에서 동시에 발표되었다.
유리는 고체이다(즉, 액체처럼 흐르지 않는다)라고 ??단언할 수 있을까? 이 상식에 반하는 물음에 대답하기 위해, 브리스톨 대학과 교토 대학의 연구진은 컴퓨터 시뮬레이션 및 정보 이론에 대해 공동 연구를 실시했다. 유리 장인이 공예품을 만드는 모습을 보면, 가열된 유리가 액체인 성질을 가지는 것은 분명하다. 그러나, 일단 그 유리를 실온까지 냉각하면 변하여, 고체 성질이 지배적이고, 덕분에 유리에 와인을 따르거나 유리창으로 사용할 수 있게 된다 .
고체는 미시적으로는 분자가 결정적이고 규칙적인 배치에 들어가 이동하지 (흐르지 않는) 않는 상태를 의미하며, 액체는 명확하게 구별할 수 있다. 그러나, 유리를 구성하는 분자는 규칙적인 상태에 들어가 있지 않고, 매우 느리긴 하지만, 이동을(흐름) 계속 하는 것처럼 보인다. 유리의 경우 정말 느려서, 유리창을 예를 들면, 사람이 지각 할 수 있는 정도로 흐르는 데에는 천 년 이상이 걸리는 것으로도 알려져 있다. 만약 그렇다고 하면 일반 상식에 반하기는 하지만 유리가 고체라고 단언하는 근거가 의심스럽게 된다.
유리는 거시적으로는 고체, 미시적으로는 액체에 보이는데, 이 특이한 상태에 관한 연구는 사실 오래 전부터 진행되어 왔지만, 그 본질은 아직 해명되어 있지 않다. 오늘날 슈퍼 컴퓨터의 능력을 가지고도, 유리가 천년 동안 흐르는 여부의 문제에 대한 직접적인 답을 내려면 성능이 한참 뒤떨어져 있다.
유리를 구성하는 개별 분자는 보기에는 완전히 무작위로 보이면서도, 각각 다른 분자와 정보를 교환하면서 복잡하게 연동하여 움직이고 있다. 정보 이론은 그들 사이에 숨겨진 규칙성을 감지하고, 정량화하기 위한 수학적 도구를 우리에게 제공하는 것이다. 이번 컴퓨터 시뮬레이션 및 정보 이론을 조합한 연구를 수행하고, 유리 상태의 물질 중에서는 고체적 영역과 액체인 영역이 혼재하지만, 저온이고, 밀도가 높을수록 고체적 영역의 크기가 증가하고, 그 영역에서는 분자가 특정 기하학적 구조 (예를 들면 정20면체, 아래 그림)로 조직화 된 것을 발견했다.
여기서 말하는 유리는 액체가 온도 저하와 함께 불규칙한 분자 구조 그대로 고체화된 물질, 혹은 그 상태이다. 어떤 문제도 세계에서 가장 빠른 슈퍼 컴퓨터로도 답을하지 못한 난제뿐이지만, 유리 상태의 본질 또는 액체가 유리가 되는 원리를 해명함으로써, 이러한 유리에 관련한 광범위한 문제의 해명에 이어질 것으로 기대할 수 있다.
컴퓨터 시뮬레이션 및 정보 이론을 이용한 하나의 예측에 불과하지만, 이번 연구를 통해 유리와 액체 사이에 뚜렷한 차이를 시사할 수 있었던 것은 매우 가치가 있다. 그 차이를 물리량으로 어떻게 정량화하거나, 심지어 비슷한 결과를 실제 유리에 대한 실험적으로 얻을 수 있을지 여부는 앞으로 남겨진 과제이다.
출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』
