나노기술 및 정책 정보

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유리, 고무 및 플라스틱은 모두 비정질 고체라는 물질에 속하며, 우리의 일상 생활에서 흔함에도 불구하고 오랫동안 과학자들에게 도전을 제기해옴. 1910년대 이후 과학자들은 결정의 원자 구조를 3D로 매핑할 수 있었으며, 이는 물리학, 화학, 생물학, 재료과학, 지질학, 나노과학, 신약 발견 등에서 무수히 많은 발전을 이루었음. 그러나 비정질 고체는 결정처럼 단단하고 반복적인 원자 구조로 조립되지 않기 때문에 동일한 수준의 정밀도로 원자 구조를 결정하는 연구원의 능력에 도전해옴.

미국 UCLA 연구진은 우리가 결정에 대해 많은 것을 알고 있지만 지구상의 대부분의 물질은 비결정질이며 원자 구조에 대해서는 거의 알지 못한다며, 비정질 고체의 3D 원자 배열을 관찰하는 것은 새로운 도전이라고 함.

금속 유리는 표준 결정질 금속보다 강하고 모양이 더 좋은 경향이 있으며 오늘날 전기 변압기에서 고급 골프 클럽, Apple 노트북 및 기타 전자 장치용 하우징에 이르는 다양한 제품에 사용됨. 금속 유리의 원자 구조를 이해하면 엔지니어가 훨씬 더 광범위한 응용 분야를 위해 이러한 재료의 더 나은 버전을 설계하는 데 도움이 될 수 있음.

연구진은 3D 이미징의 한 유형인 원자 전자 단층 촬영이라는 기술을 사용함. 이 접근법은 샘플을 통해 전자를 발사하고 다른 쪽에서 이미지를 수집하는 것임. 샘플은 여러 각도에서 측정을 수행할 수 있도록 회전되어 3D 이미지를 생성하기 위해 함께 연결되는 데이터를 생성함.

연구진은 최신 전자 현미경과 강력한 알고리즘 및 분석 기술을 결합하여 단일 원자 수준까지 구조를 연구했으며, 이 수준에서 비정질 구조에 대한 직접적인 지식은 물리 과학의 판도를 바꾸는 요소라고 설명함.

연구진은 8개의 서로 다른 금속으로 만들어진 직경이 약 8 나노미터인 금속 유리 샘플을 조사함. 55개의 원자 전자 단층 촬영 이미지를 사용하여 연구진은 나노입자를 구성하는 약 18,000개의 원자에 대한 3D 지도를 만들었음.

연구진은 비정질 고체는 특성 분석하기가 어렵기 때문에 원자가 혼란스럽게 배열될 것으로 예상했음. 그리고 원자의 약 85%가 무질서한 배열에 있었지만 연구자들은 원자의 일부가 정렬된 슈퍼 클러스터로 합쳐진 포켓을 식별할 수 있었음. 이 발견은 비정질 고체 내에서도 원자 배열이 완전히 무작위가 아니라는 것을 보여주었음.

연구진은 전자 현미경 자체의 한계로 인해 연구의 한 가지 한계를 인정함. 일부 금속 원자는 크기가 너무 비슷해서 전자 영상으로 구분할 수 없었음. 이에 연구원들은 금속을 세 가지 범주로 분류하여 원소 주기율표에서 이웃을 통합함. 첫 번째 범주에서는 코발트와 니켈; 두 번째 루테늄, 로듐, 팔라듐 및은; 세 번째는 이리듐과 백금임.

본 연구 성과는 Nature ("Determining the three-dimensional atomic structure of an amorphous solid")에 게재됨.