요약:
캘리포니아 대학교 로스앤젤레스 캠퍼스(UCLA)가 이끄는 연구팀은 최근 결정 형성에 관한 새로운 연구를 발표했습니다. 과학자들은 처음으로 3차원 원자 이미징 기술을 사용하여 원자 단위로 결정 핵 생성 과정을 관찰했으며, 고전 이론에서 설명한 대로 결정 내부의 질서 있는 구조와 주변의 무질서한 물질 사이에 명확한 경계가 없음을 발견했습니다. 이번 발견은 물질의 상전이 중에 결정이 어떻게 형성되는지에 대한 근본적인 이해를 바꿀 수 있습니다.
거의 100년 동안 과학자들은 고전적인 핵 생성 이론에 의존하여 액체 동결 및 기체 응축과 같은 상 변화 과정을 설명해 왔습니다. 이 이론에서는 결정핵으로 알려진 일부 작고 질서정연한 영역이 먼저 물질 내부에 형성되고, 그런 다음 이 결정핵이 계속 성장하여 결국 완전한 결정을 형성하게 된다고 주장합니다. 이 이론을 뒷받침하는 핵심 방정식은 수천 번의 실험을 통해 뒷받침되었습니다.
그러나 연구자들이 3차원 공간에서 원자 단위로 결정 형성을 관찰했을 때, 결정핵의 실제 구조는 고전 모델이 예측한 것과 달랐습니다. 연구팀은 여러 금속 원소로 구성된 복잡한 합금 나노입자를 사용하고 다양한 형성 단계에서 결정핵을 동결시키는 방법을 개발하여 일반적으로 매우 빠르게 발생하는 이 과정을 관찰할 수 있게 했습니다.
연구원들은 규칙적인 결정에서 주변의 무질서한 물질로의 전이가 명확한 구분선이 있는 갑자기 발생하는 것이 아니라 점진적으로 발생한다는 것을 발견했습니다. UCLA 물리학 및 천문학 교수이자 캘리포니아 나노시스템 연구소(California Nanosystems Institute) 회원이자 해당 논문의 교신 저자인 Jianwei "John" Miao는 결정 핵이 고전 핵 생성 이론에서 설명한 것처럼 균일한 내부 구조와 명확한 경계를 갖고 있지 않다고 말했습니다. 이에 반해 각 결정핵의 중심영역은 결정성이 가장 높다. 경계에 가까울수록 원자 배열이 더 무질서해지고 연속적인 구배를 형성합니다.
이런 현상을 설명하기 위해 연구팀은 좀 더 복잡한 '경사형 핵생성 경로 모델'을 제안했습니다. 이 새로운 모델은 고전적인 핵 생성 이론을 뒤집는 것이 아니라 오히려 이를 확장합니다. Miao는 고전 이론이 실제로 새 모델의 특별한 경우로 간주될 수 있다고 말했습니다. 이 특별한 경우가 새로운 방정식에 연결되면 고전 핵 생성 이론과 정확히 동일한 결과를 얻을 수 있습니다. 그러나 실제 실험에서 연구진은 명확한 원자 규모 경계를 관찰하지 못했고 대신 이러한 경사 구조를 반복적으로 관찰했습니다.
핵 생성 과정은 구름 방울 형성, 산업 제조 등 자연 및 공학 시스템에 널리 존재합니다. 따라서 이 과정을 다시 이해하는 것은 여러 연구 분야에 영향을 미칠 수 있으며 새로운 기술 개발에 참고 자료를 제공할 수 있습니다.
결정 형성의 다양한 단계를 포착하기 위해 연구진은 먼저 나노입자를 화씨 3,000도(섭씨 약 1,649도) 이상으로 가열한 다음 수백 분의 1초 내에 실온으로 빠르게 냉각했습니다. 급속 냉각은 결정 형성 과정을 시작하는 동시에 다양한 나노입자의 결정 핵이 서로 다른 발달 단계에 머물게 합니다.
Miao는 데이터 수집에 필요한 시간이 핵 생성 과정 자체보다 훨씬 길기 때문에 연구자들이 다양한 단계에서 핵 생성 현상을 연구하기 전에 먼저 결정 형성 과정을 '동결'해야 한다고 설명했습니다.
그런 다음 연구팀은 원자 전자 단층촬영을 사용하여 각 나노입자를 원자별로 3차원으로 재구성하고 고급 통계 분석을 사용하여 다양한 영역의 질서 정도를 정량화했습니다. 전체 데이터 세트에는 10개 미만의 원자에서 1,000개 이상의 원자에 이르기까지 크기가 8,000개 이상의 핵이 포함되어 있습니다.
연구원들은 이 핵에서 동일한 패턴을 반복적으로 관찰했습니다. 즉, 원자 순서의 정도는 중앙 영역에서 가장 높았고 표면으로 갈수록 점차 감소했습니다. 결정핵이 계속 성장함에 따라 중심 영역의 질서 정도는 더욱 높아질 것입니다.
이러한 구배 구조는 또한 결정핵을 형성하는 데 필요한 에너지에 대한 연구자의 이해를 변화시킵니다. 고전적인 핵생성 이론에서는 결정핵이 소위 에너지 장벽이라는 명확한 최소 에너지 요구 사항을 극복해야 한다고 주장합니다. 충분한 에너지를 가진 소수의 결정핵만이 이 "벽"을 통과할 수 있습니다.
그러나 실험 결과에 따르면 핵생성 과정은 에너지 장벽을 단번에 넘을 수 없으며, 여러 중간 단계를 거쳐 점차적으로 완료되는 것으로 나타났습니다. 먀오족은 이것을 벽을 오르는 것에 비유했습니다. 고전 이론에서는 결정핵이 벽 위로 직접 올라가야 한다고 주장하지만, 연구 결과에 따르면 자연은 에너지 장벽을 극복하기 위해 사다리를 단계별로 오르고 여러 중간 상태를 사용하는 보다 효율적인 방법을 채택했을 수 있습니다. 연구팀은 새로운 경사 핵생성 경로 모델이 이 과정을 설명하고 왜 결정핵이 더 효율적으로 형성될 수 있는지 설명할 수 있다고 믿습니다.
완전한 상변화 과정에는 서로 결합하기 위해 서로 다른 결정핵이 필요합니다. 연구팀은 이 과정에서 예상치 못한 현상도 발견했다. 서로 가까이 붙어 있는 많은 결정핵들이 병합되기 전에 이미 거의 동일한 방향을 갖고 있어 최종적으로 결합하기가 더 쉽다는 것이다.
Miao는 많은 핵이 병합되기 전에 이미 거의 정렬되어 있다는 것이 놀랍다고 말했습니다. 이는 낮은 에너지 형성 경로를 반영할 수도 있지만 자연이 물질을 조직하는 방식에 대해 아직 탐구해야 할 부분이 많다는 것을 보여줍니다.
이 실험에 사용된 고엔트로피 합금과 중엔트로피 합금은 약 20년 전부터 등장하기 시작했습니다. 이러한 재료는 단일 기본 요소가 지배적인 강철과 같은 기존 합금과 달리 대략 동일한 비율로 혼합된 여러 금속 요소로 만들어집니다. 이들의 고도로 혼합된 원자 구조는 강도와 유연성과 같은 특성의 특이한 조합을 생성할 수 있으며 보다 효율적이고 내구성이 뛰어난 화학 반응 촉매를 만드는 데 사용될 수도 있습니다.
이러한 물질의 핵생성 과정을 이해하면 연구자들이 이를 더 잘 설계하고 개발하는 데 도움이 될 수 있다고 Miao는 말했습니다. 동시에, 연구팀은 이 모델이 다른 핵 생성 시스템에도 널리 적용될 수 있다고 믿습니다.
핵 생성은 자연과 엔지니어링 시스템에서 보편적인 현상이기 때문에 이 연구는 물리 과학, 기후 모델링, 식품, 제약, 반도체, 전자 등 다양한 분야에 영향을 미칠 수 있습니다. 이번에 사용된 원자 이미징 방법은 연구자에게 핵 생성 과정이 어떻게 전개되는지 탐색할 수 있는 새로운 도구를 제공할 수도 있습니다.
먀오족에게 있어 이 연구의 더 중요한 의미는 과학계가 상 변화 동안 물질이 어떻게 조직되는지 다시 생각해 볼 수 있다는 것입니다. 그는 연구팀은 이 연구가 핵 생성 현상에 대한 연구자들의 이해를 변화시킬 것이라고 믿으며 미래의 교과서가 결국 이러한 새로운 이해를 반영할 수 있기를 희망한다고 말했습니다.
"원자 전자 단층 촬영을 통해 밝혀진 고엔트로피 합금의 결정 핵 생성 및 성장"이라는 제목의 이 연구는 2026년 8월 25일 Nature Materials 저널에 게재되었습니다. 이 연구는 주로 미국 에너지부 산하 기초 에너지 과학 프로그램의 재료 과학 및 엔지니어링 부서의 지원을 받았습니다.
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