| 초미세 다결정체 구리에서 새로운 준안정 구조 발견 | ||
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  중국과학원 금속연구소 선양(沈陽)재료과학국가연구센터와 상하이교통대학 연구팀은 대량의 정밀 실험과 시뮬레이션 계산을 결합해 결정립 크기가 몇 나노미터로 감소될 경우 순금속 구리 다결정체는 새로운 준안정 구조인 제한성 결정체 구조를 형성함을 발견했다. 해당 성과는 "Science"에 게재됐다. 금속은 일반적으로 다결정체 형식으로 존재한다. 즉 많은 금속원자는 일정한 규칙으로 정연하게 배열되어 규칙적인 영역을 형성하는데 이를 결정립이라고 부른다. 결정립 크기가 작을수록 결정립계에 원자가 비교적 많고 다결정체의 안정성이 떨어진다. 일부 금속합금은 결정립 크기가 충분하게 작아질 경우(몇 나노미터) 전체 다결정체 구조 안정성이 파괴되어 준안정 비정질 상태 고체를 형성한다. 해당 고체는 열 또는 힘의 작용에 의해 더욱 안정한 결정체로 전환된다. 비정질 고체상태는 제한된 합금 성분 범위 내에서만 형성될 수 있으며 대부분 합금 및 순금속은 결정립이 아무리 미세하여도 비정질 고체상태로 형성되지 않는다. 연구팀은 다결정체 결정립 크기가 지속적으로 줄어들어 특정된 한계값(예를 들어 원자 크기)에 접근하기 전에 준안정 상태 구조가 존재하는 지에 관한 연구를 수행했다. 연구팀은 새로운 준안정 구조인 제한성 결정체 구조는 매우 작은 계면을 보유한 3차원 구조이고 매우 높은 열안정성 및 역학적 안정성을 나타내며 순수한 구리 용융점 이하에서 결정립 성장이 발생하지 않고 강도가 이론 강도에 접근함을 발견했다. 해당 발견은 비정질 고체상태 외에 다결정체 금속도 결정립이 매우 미세할 경우 다른 일종의 준안정 고체상태가 존재하고 그 안정성이 비정질 고체보다 훨씬 높음을 의미한다. 연구팀은 2단계 저온 소성변형 기술을 이용해 순수한 구리 박편의 결정립 크기를 10nm 이하로 감소시켰다. 마이크로 구조(Microstructure) 관찰을 통해 해당 초미세 다결정체에서 전형적인 물-오일 상호 불용성 이중 연속상에서 흔히 볼 수 있는 것과 유사한 유동형 구조를 나타냄을 발견했다. 또한 연구팀은 나노 결정립의 크기, 형태, 방향성 및 분포 등 특성에 대한 계통적인 연구를 통해 많은 매우 작은 결정립은 규칙적인 Kelvin 깎은 팔면체 형태를 보유하며 또한 대량의 저에너지 계면이 존재함을 발견했다. 해당 구조 특징과 분자 동역학적 시뮬레이션 계산을 결합해 연구팀은 해당 초미세 결정립 사이의 계면은 매우 작은 계면 구조 특징을 보유하고 있음을 발견했다. Schwarz-D라고 불리는 해당 계면의 평균 곡률은 0이고 구조 안정성이 매우 강하다. 동시에 초미세 결정립의 대량의 저에너지 2중 입계가 해당 매우 작은 계면을 더한층 구속하기에 해당 계면의 안정성은 더욱 높다. 제한성 결정체 구조의 발견은 고체 물질 구조 기본 특징 및 새로운 성능 연구에 도움이 될 뿐만 아니라 고안정성 금속 재료 및 제조 공법 개발에 새로운 방법을 제공했다. 정보출처 : https://www.cas.cn/cm/202011/t20201120_4767563.shtml |
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