HOME > Community > Gallery

냉각될 때 용융되는 독특한 결정

목록
글쓴이 최고관리자 등록일 13-05-27 23:15
조회 658
     
    코넬 대학(Cornell University)과 Universitat Munster의 연구진은 냉각될 때 용융되는 결정을 실험적으로 발견했다.

    나노입자를 정렬된 결정 시트로 성장시키는 것은 마이크로전자장치의 구성요소에서부터 태양전지에까지 적용될 수 있기 때문에 요긴하지만, 과학자들은 이런 크기의 입자들이 기존의 방법으로 결정을 형성하지 않기 때문에 원하는 방법으로 성장시키는데 어려움을 겪고 있다.

    모델로서 더 큰 입자를 사용했을 때, 과학자들은 나노입자 결정 성장에 대한 몇몇 특이한 성질들을 예측했다. 특히, 작은 입자들은 그들의 크기와 그들 간의 인력 때문에 냉각될 때 용융되면서 결정으로 성장된다. 이번 연구진은 액체 속에서 부유하는 입자로부터 형성되는 콜로이드 결정이 이상한 저온 용융을 가진다는 것을 증명했다. 이 연구는 저널 Proceedings of the National Academy of Sciences에 온라인으로 게재되었다.

    일반적으로 과학자들은 비화갈륨(gallium arsenide) 반도체처럼 서로 강하게 결합되는 원자들을 이용해서 결정들을 성장한다. 그러나 콜로이드 결정들은 다르다; 콜로이드 입자들은 액체 속에 부유할 때 어레이 속으로 자기조립하면서 형성된다.

    결정을 형성할 수 있는 마이크론 크기의 콜로이드를 얻기 위해서, 이번 연구진은 나노크기 입자들을 액체 속에 주입했는데, 이것은 더 큰 콜로이드가 서로 끌어당기는 성질을 가지게 하고, 그들 간의 거리가 나노입자보다 더 작을 때 콜로이드들은 결국 서로 밀게 된다. 이런 인력이 나노입자의 운동으로 인한 열에너지를 초래하기 때문에, 콜로이드 입자 간의 결합은 상당히 약해진다.

    강한 원자 결합과는 반대로 입자 간의 단-범위의 약한 인력은 몇몇 놀라운 특성을 가진다. 예를 들어, 용액 속에서, 나노입자들이 한 개의 나노입자 크기 이하로 서로 떨어져 있을 때 서로 감지할 수 있다. 그러나 콜로이드 입자들이 입자의 기질 위에 남아 있다면, 상호작용의 범위는 매우 증가할 수 있다.

    연구진은 기질 입자들이 이웃 입자들을 밀치고 상호작용할 수 있을 정도로 충분히 오랫동안 결합될 수 있다는 것을 발견했다. 이것은 평면 내의 이웃한 입자들이 예상했던 것보다 훨씬 더 느슨하게 결합된 결정을 형성할 수 있다는 것을 보여준다.

    연구진은 입자 간의 결합이 그들의 열에너지보다 더 강하도록 온도를 낮출 때, 입자들은 더 적게 충돌한다. 결국, 그들은 기질 입자들에 의해서 형성된 우물(well)보다 더 깊은 곳에 위치하고, 그들의 평면 내 이웃한 입자 간에 더 적은 상호작용이 발생한다.

    이 연구결과는 콜로이드가 결정을 유지할 수 있는 평면 내의 결합을 더 이상 유지할 수 없다는 것을 보여준다. 그래서 입자들은 확산되거나 용해된다. 이것은 결정이 냉각될 때 용해되는 놀라운 효과를 보여준다. 이 연구결과는 재료 과학자들이 전자장치 또는 에너지 재료 등의 새로운 분야에 나노입자로 구성된 결정 성장을 적용하는데 큰 도움을 줄 수 있을 것이다. 이 연구는 “Entropy-driven crystal formation on highly strained substrates”라는 제목으로 게재되었고, King Abdullah University of Science and Technology와 미 국립 과학 재단(National Science Foundation)의 의해서 자금이 지원되었다.

    그림. 저온 용융 현상을 보여주는 폴리스티렌 입자 클러스터의 공초점 현미경 이미지. 하부 격자의 가로세로비를 변화시킴으로써, 연구진은 결정 성장을 유도할 수 있었다.

    Comments