기계/재료

고체물질 형태의 결정 및 준결정 융합 구조 특성 발견

발행일 : 2020 / 03 / 11

베이징과기대 신금속재료국가중점실험실 허잔빙(何戰兵) 등은 새로운 고체물질 형태를 발견했다. 해당 형태는 결정구조의 결정(Crystal)과 준결정의 “수화불상용” 모순을 교묘하게 해결함으로써 원자배열의 “신기한 마법” 현상을 보여준다. 현재 해당 물질의 물성은 아직 밝혀지지 않았지만 물질의 주기성과 관련된 특수한 물성이 있을 것으로 예상된다. 해당 성과는 “ActaCrystallographica. Section A”에 게재됐다.

일반적인 물질 형태에는 고체, 액체, 액정, 기체, 플라즈마 등 상태가 있다. 그 중의 고체상태 물질을 또한 결정, 준결정, 비결정으로 나눌 수 있다. 준결정은 평행이동 주기적 대칭성을 보유하지 않지만 장거리 경향성 규칙적 물질 형태를 보유하고 있다. 전통적인 결정 재료와는 달리 준결정에는 주기적 중복 배열이 가능한 단위셀(Unit cell)이 1개도 없기에 평행이동 대칭성이 없다. 주기적 평행이동은 준결정과 전통적인 결정의 가장 본질적인 구분이다. 하지만 이번에 발견된 새로운 고체 물질 형태는 주기적으로 배열된 구조 블록(Structural block) 사이에 비주기적 구조 블록이 삽입되어 형성된 것으로 전통적인 결정 재료의 주기적 평행이동 대칭성과 준결정의 준주기성(Pseudo-periodicity)을 보유하고 있으며 결정 및 준결정의 구조 특성을 융합하고 있다.

연구팀은 투과전자현미경학적 특히 원자급 해상도에 도달할 수 있는 구면수차 보정 투과전자현미경적 연구를 통해 Al-Cr-Fe-Si 합금에서 이미 알려진 물질의 상태와 다른 신기한 물질의 형태를 발견했다. 해당 물질의 상태는 준결정과 관련된 구조 블록으로 구성됐지만 그 중의 일종 경향성 구조 블록은 주기적 배열을 나타내는바 결정 재료와 같은 평행이동 단위셀을 보유하고 있다. 또한 해당 주기적 배열 구조 블록 사이에 비주기적 배열 구조 블록이 삽입되어 있는데 이는 전통적인 결정상과 다르다. 주기적 구조 블록의 존재로 해당 구조는 준결정에 속하지 않으며 비주기적 모듈화 구조(Modulated structure), 1차원 튜브형 주관적-객관적 구조 및 무질서 얼음 관련 구조와도 다른 일종의 새로운 물질 형태에 속한다. 현재 해당 유형의 물질 형태를 합금에서 발견했지만 그 구조 특성은 합금 체계를 벗어나 유기재료, 나노 자기조립 재료, 다공성 재료 등 체계에도 존재할 수 있다.

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