타케시 에가미(Takeshi Egami)는 밀도파 이론을 제안하기 위해 새로운 실험 방법을 사용한 ORNL의 파쇄 중성자 소스(Spallation Neutron Source)에 있는 자신의 워크스테이션에 서 있습니다. 사진 제공: Carlos Jones/ORNL, 미국 에너지부
1543년, 코페르니쿠스는 지구가 태양 주위를 돈다는 태양 중심설을 제시했습니다. 그의 이론이 널리 알려지기까지는 150년이 걸렸고, 바티칸이 그것을 공식적으로 받아들이는 데는 400년 이상이 걸렸습니다.
마찬가지로 저명한 재료 과학자인 타케시 에가미(Takeshi Egami)는 금속 유리 및 기타 액체의 복잡한 원자 구조를 밝히는 데 경력을 쌓았으며, 때로는 과학계에서 처음에는 거부감을 가진 사람들과 이론을 공유하기도 했습니다. 그러나 그는 동료들을 그의 최신 발견에 참여시키기 위해 기꺼이 먼 길을 갑니다.
액체와 유리의 비결정질, 무정질 원자 구조는 말 그대로 도처에 있습니다. 풍경은 혼란스럽습니다. 무질서한 원자들이 갓 흔든 보바 차에 담긴 타피오카 진주처럼 여기저기 흩어져 있습니다.
Egami는 미국 에너지부의 오크리지 국립연구소(ORNL)와 테네시 대학교에서 이러한 물질을 연구하고 있습니다. 그는 2008년부터 2015년까지 UT-ORNL 중성자 과학 공동 연구소를 이끌었습니다. ORNL의 재료 과학 및 기술 부서의 Egami와 그의 동료들은 중성자 산란 및 싱크로트론 X선을 사용하여 비결정성 물질의 구조, 역학, 전이 및 변형을 점점 더 명확하게 볼 수 있었습니다.
결정질 고체에서 원자는 서로 결합되어 격자라고 하는 단단한 정글 체육관과 같은 구조로 배열됩니다. 이 격자는 보석, 냉장고 및 고층 건물과 같은 대부분의 고체를 단체로 만드는 것입니다.
"원자가 돌아다닐 수 있는 자유는 별로 없습니다. 결정 구조는 각 원자가 다른 모든 원자처럼 행동해야 하는 독재 정치와 같습니다. 액체는 원자가 더 많이 움직일 수 있는 민주주의와 같습니다. 액체 구조 분석은 원자가 지속적으로 혼란에 있기 때문에 어렵습니다"라고 에가미는 말했습니다.
원자 모델링의 일반적인 방법은 각 원자가 가장 가까운 인접 원자와 연결되는 상향식 접근 방식입니다. 이 방법은 대부분의 고체에 대해 신뢰할 수 있지만 비결정성 물질에 대한 상향식 분석은 불안정하고 혼란스러운 특성으로 인해 Egami를 항상 불안하게 만들었습니다.
그는 "상향식 접근법은 지구가 중심에 있는 우주에 대한 지구 중심적 관점처럼 매우 자기중심적입니다"라고 말했습니다. 코페르니쿠스와 마찬가지로, 에가미는 그의 전 생애 동안 이러한 물질에 대한 우주적 진실을 찾고 있었습니다.
도쿄대학교에서 응용물리학 학사, 펜실베이니아대학교에서 재료과학 박사, 서식스대학교와 막스플랑크 연구소에서 박사 후 과정을 마친 후 펜실베이니아 대학교에서 30년간 교편을 잡았다. 2003년에 그는 액체 물리학의 저개발 분야에 집중하기 위해 ORNL에 왔습니다.
"물 그 자체가 큰 수수께끼입니다. 물에 대한 고전 물리학은 잘 이해되어 있지만 물에 대해서는 우리가 이해하지 못하는 것이 많습니다. 아주 기본적인 것들이죠, 그렇죠? 생명은 거기서 나왔고, 우리는 그 이유를 모릅니다"라고 에가미가 말했습니다.
Egami는 수수께끼 같은 금속 유리를 사용하여 비결정성 물질의 구조, 기능 및 변형을 연구합니다.
금속 유리는 그 자체로 고체로 보이지만 무질서한 원자 구조로 인해 기술적으로 얼어붙은 액체입니다. 이 불투명한 물질은 두 개 이상의 금속 원소를 혼합하여 만든 금속 합금으로 만들어지며, 과냉각되어 원자가 격자 구조로 스스로를 조직할 기회를 갖지 못합니다.
이러한 구조의 부족으로 인해 금속 유리는 매우 탄력 있고 매우 강하며 자화되기 쉽습니다. 1970년대에 시장에 진입한 이래 금속 유리는 스포츠 용품, 스마트폰 및 의료 기기와 같은 제품에 사용되었습니다. 그러나 상업적 사용이 제한된 기계적 특성의 원인에 대해서는 많이 알려져 있지 않습니다.
예를 들어, 모든 강도에 비해 금속 유리는 매우 깨지기 쉽습니다. 골프공으로 만든 클럽으로 골프공을 한 번 너무 세게 때리면 클럽이 산산조각이 납니다. 금속 유리에 대한 현재의 이론은 이러한 종류의 기괴함을 설명할 수 없습니다.
Egami의 연구는 지배적인 이론을 무시하는 비결정성 물질의 구조적, 기능적 거동을 제안하기 시작했습니다. 그는 이러한 발견이 광범위한 과학적 영향을 미치는 분석의 변화로 이어지기를 희망합니다.
2017년, 일본의 SPring-8 시설에서 싱크로트론 X선을 사용하여 Egami와 그의 그룹은 처음으로 물에서 동적원자 상관 관계를 보여주었습니다. 상관관계는 한 원자의 움직임이 다른 원자의 존재에 의해 얼마나 영향을 받는지를 측정한 것입니다.
"모두가 이러한 상관관계에 대해 알고 있지만 아무도 이전에 본 적이 없었습니다. 이제 우리는 처음으로 원자가 공간과 시간 속에서 어떻게 관련되어 있는지 볼 수 있습니다"라고 Egami는 말했습니다.
새로운 밀도파 이론을 향한 여정은 상향식 원자 모델링에 대한 에가미의 불안감에서 시작되었습니다. 더 넓게 보면, 그의 새로운 접근법은 원자 크기의 최대 10배 거리에서 단일 원자와 주변 원자의 상관관계인 중거리 순서(medium-range order)에서 시작되었습니다.
"저는 항상 지역적인 관점뿐만 아니라 전 세계적인 관점이 있을 수 있다고 생각했습니다. 전체 시스템을 한 번에 볼 수 없는 이유는 무엇입니까?" Egami와 UTK의 류채우(Chae Woo Ryu)의 2022년 논문은 밀도파 상태 또는 잔물결을 설명했습니다. 이 잔물결의 증거는 이전에도 관찰되었지만, 실험 데이터에서는 X선 산란으로 인한 잡음으로 해석되었습니다."
2019년, 에가미팀은 진공 상태에서 액체 부상이라는 새로운 실험 방법을 사용하여 소음을 제거하고 잔물결이 진짜임을 확인했습니다. 이 발견은 밀도파 이론과 상향식 방법과 하향식 방법 간의 관계에 대한 새로운 가설을 제시했습니다.
"때때로 갈등은 완전히 새로운 것을 만들어낼 수 있습니다"라고 에가미는 말했습니다. 상향식 관찰과 하향식 관찰 간의 경쟁으로 인해 Egami와 동료들은 액체와 유리의 점도와 변형에 대한 열쇠를 가질 수 있는 새로운 중거리 주문을 제안하게 되었습니다. 에가미 박사는 이러한 발견이 금속 유리 천장을 깨고 그들이 테스트한 샘플의 세계를 넘어 견인력을 얻을 수 있기를 희망합니다.
과학자들은 밀도 함수 이론을 사용하여 복잡한 시스템의 전자 거동을 계산하고 예측합니다. "화학자들은 실험을 실행하는 것보다 쉽기 때문에 항상 이것을 사용합니다"라고 Egami는 말했습니다. 그러나 이 계산은 자석이나 고온 초전도체와 같이 전자가 강한 상관관계가 있는 물질에는 이상적이지 않습니다.
액체에 사용한 것과 동일한 접근 방식을 전자에 사용하여 Egami는 전자 상관 관계를 확인하는 데 성공했습니다. "우리는 동적 전자 상관 관계를 볼 수 있기 때문에 더 이상 밀도 함수 이론에 의존할 필요가 없습니다."
존경받는 재료 과학자는 자신의 발견을 도로에서 가지고 다니며 1인 대화 투어를 시작했습니다.
"이 일이 이해되려면 시간이 좀 걸릴 거라는 걸 알고 있습니다"라고 그는 말했습니다. 그의 발견은 다른 학문 분야에서 저항에 부딪혔지만, 그는 그것에 익숙합니다. "이것은 나의 첫 번째 로데오가 아니다"라고 에가미는 무질서한 크리스탈을 분석하는 새로운 방법을 제안했던 그의 공동 저서에 대해 말했습니다.
10년간의 설득 끝에 드디어 동료들이 돌아왔습니다. Under the Bragg Peaks에 자세히 설명되어 있는 Egami의 분석 기법은 이제 이 분야의 표준이 되었습니다.
제안된 밀도파 이론과 금속 유리의 중간 범위 순서에 대해 Egami는 "서두르지 않는다"고 말했습니다. 그는 자신의 이론이 받아들여지는 데 코페르니쿠스가 그랬던 것처럼 오랜 시간이 걸리지 않을 것이라고 낙관합니다.
이상의 기사는 2024년 9월 18일 Phys.org에 게재된 “Materials scientist describes new world order for glasses, liquids”제목의 기사 내용을 편집하여 작성하였습니다.
* 원문정보 출처 : Materials scientist describes new world order for glasses, liquids (phys.org)
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