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중국과학원 역학(力學) 연구소 연구팀이 공동 연구를 통해 유리 재료 열화 방지를 위하여 유리 내 구조의 동역학과 관련된 물리 메커니즘을 제시함.

준안정(metastable) 상태의 유리 재료는 열역학 평형 상태에서 자발적으로 열화가 진행되며, 재료 성능의 열세화(degradation)를 동반하고 있음. 그러나 외부 에너지 입력을 통해 열화된 유리 물질은 다시 구조의 회복(rejuvenation)을 실현할 수 있음. 이러한 열화 저항(anti-aging) 과정은 한 면으로 유리의 복잡한 동력학 행위의 기본적인 이해를 하는데 도움이 되고 있으며, 다른 한 면으로 유리 재료의 공정 응용에도 적용될 수 있음. 최근 금속 유리 재료에 대해 일련의 비(非) 아핀(affine) 변형에 기반을 둔 구조 회복 방법이 제시되면서, 재료의 역학 ,물리 성능 등에 대해 효과적인 제어를 실행할 수 있을 것으로 기대됨.　연구진은 이번 연구를 실행하는 과정에서 가벼운 가스 총(light-gas gun) 장치의 이중 표적 플레이트 충격 기술을 기반으로 하여 전형적인 지르코늄(zirconium) 기반 금속 유리가 약 365 ns(나노 초) 내에서 신속하게 일종 높은 엔탈피(enthalpy) 극단 무질서 상태로 젊어지는 상황을 구현함. 해당 기술의 도전은 금속 유리에 몇 개 GPa 레벨의 모노펄스(monopulse)를 추가하고 순간 상태의 자동 제거를 실행하여 절단, 균열 등 재료의 동적 실효를 방지하도록 하는 동시에 플라이어(flyer) 충격 속도의 제어를 통해 금속 유리의 신속한 회복이 다양한 수준에 "동결"될 수 있도록 하는 것임.

이 연구를 바탕으로 열역학, 멀티 척도 구조와 포논(phonon) 동력학 "보존 피크(Boson peak)" 3개 차원에서 금속 유리의 매우 신속한 젊음 과정에 대해 전면적인 연구를 실행하였으며, 유리 구조 젊음이 나노 척도 클러스터로 하여금 "절단 전환" 모드로 전환되도록 유도하여 자유 체적 생성을 발생시킨다는 것이 밝혀짐. 연구진은 이런 물리 메커니즘에 기반을 두고 한 개의 무차원수(dimensionless) Deborah 수를 정의하였으며, 금속 유리가 신속하게 젊어지는 시간 척도 가능성을 해석하는데 성공하였음.

이번 연구를 통해 금속 유리 구조 젊음의 시간 척도를 최소 10개 수량 등급으로 향상시켰으며, 동일한 유형 재료의 응용 분야를 확장시켰으며, 유리의 신속한 동력학에 대한 이해를 깊이 할 수 있도록 하는 기술 수단을 제공하여 그 의미가 주목됨.

본 연구 성과는 'Science Advances'에 게재되었음