열용량, 유리전이 현상을 설명하는 열쇠

[출처 : http://www.sciencedaily.com : 2000년 04월 13일]

강도(rigidity)와 규칙성(orderliness)의 상관관계에 대한 개념은 현대 이론물리학의 한 업적이다. 그러나, 액체가 냉각되어 고화될 때, 즉 유리전이(glass transition) 현상에 즈음하여 이 두 성질이 어떤 관련을 갖는가에 대해서는 그리 명확한 이론이 없다. 이에 대해 일리노이대(U. of Illinois) 화학물리학(chemical physics) 교수 피터 울린(peter Wolynes)은 유리질(glassy) 물질의 거동을 설명할 수 있는 방법을 발견하였다.

결정내 원자들의 규칙적인 배열은 유체와는 다르게 거동한다. 울린은 이를, 예컨대 규칙적 배열 상태에 놓여 있는 한 원자를 움직이려면 구조 전체를 망가뜨리지 않으면 안 된다고 설명한다. 유리질인 무정형 고체의 강도는 더욱 신비스럽다. 어떠한 규칙성도 없이 마구잡이 혼란상태로 배열한 원자들은 마치 단단히 얼어붙은 것처럼 거동한다.

유리질 현상(glassy phenomena)은 전형적으로 긴 '시간'(time scale)을 두고 발생한다. 울린은 물질이 냉각될 때 그 '시간'이 얼마나 빨리 증가하는가가 그 물질이 얼마나 잘 부숴 지는가를 결정한다고 말한다. 이 부숴짐성(fragility)은 고분자와 같이 빠르게 유리질을 형성하는 물질과 보통의 유리와 같이 서서히 유리질화가 일어나는 물질을 구분하는 기준이 된다. 그러나 울린은 이 부숴짐성과 기타 유리질 특성들을 정량적으로 연관시키는 것은 어려운 일이라고 말한다.

10년 전 울린은 유리전이 현상을 정성적으로 설명하는 '유리질의 무작위 1차 전이이론'(Random First Order Transition Theory of Glasses)을 개발하였다. 이 이론의 결과적인 수학적 표현은 현미경적 결빙(freezing) 이론을 기초로 한 것이다. 전형적으로 몇몇 통상적인 패턴만을 보이는 보통의 결빙과는 달리, 액체가 얼지만 여전히 불규칙한 상태로 남는 전이 과정은 여럿 있다. 이때 가능한 결빙 패턴의 수가 물질의 강도와 관계가 있는 듯하다.

정성적 이론을 발표한 후 울린의 연구팀은 한 유리질 물질을 다른 유리질 물질과 구분하는데 필요한 한 숫자, 즉 부숴짐성이라 불리 우는 근본적인 유동특성(flow characteristic)을 정량적으로 설명하는데 필요한 한 숫자를 설명하는데 그 이론을 사용할 수 있음을 알았다. 울린은 그 후 어떤 물질의 부숴짐성과 열용량을 관련시킬 수 있었다.

한 액체의 열용량이 다소 높더라도 유리전이시의 열용량은 결정상태의 값으로 낮아진다. 열용량은 특히 흥미를 자아내는데 그 이유는 열용량이 어떤 물질의 무질서(disorder) 또는 엔트로피의 양과 관계가 있기 때문이다. 열용량이 큰 액체는 냉각시 훨씬 빠른 속도로 엔트로피를 잃는다. 한 물질의 열용량을 측정하여 그 값을 그들의 수식에 대입하여 연구팀은 분자의 운동이 온도에 의해 얼마나 빨리 변하는가를 예측할 수 있었다. 울린은, 이제 모든 유리질 물질을 하나의 보편 식으로 나타낼 수 있기 때문에 유리전이 현상을 진정으로 이해하는 것이 가능하리라 자신감을 보이고 있다. 끝.

유리 전이 온도 조절이 가능한 형상 기억 폴리머
[출처 : Advanced Materials and Processes, 2002년 10월 호 : 2002년 10월 00일]

콜로라도주의 Lafayette에 위치한 Composite Technology Development Inc.의 연구진은 섬유 강화 복합 소재 또는 다른 특별한 소재에 형상 기억 특성을 가질 수 있도록 하는 탄성 기억 복합 소재 ‘Elastic memory composite(EMC)’를 개발했다고 발표했다.

이 소재가 응용 가능할 것이라고 기대하는 분야로는 우주 항공 분야, 성능을 개선하고 생산비용을 절감하기 위한 산업 분야, 의료 분야, 비상 사태나 재난시 기능을 발휘할 수 있는 장비, 스포츠 장비 등을 꼽을 수 있다고 이 회사의 Michael Tupper 박사는 말했다. EMC 소재는 기지가 탄성 기억 열 경화성 소재라는 점을 제외하고 기존의 섬유 강화 복합 소재와 거의 유사하다고 알려졌다. 변형은 온도를 올리고 나서 기계적 힘을 가함으로써 유도된다.

본래의 형상은 다시 온도가 상승하면 복원되고, 이러한 복원되는 온도는 연구진에 의해 임로 조절될 수 있다. 폴리머는 유리 전이 온도(glass transition temperature)라는 고유의 온도를 가지고 있으며, 이 온도에서 폴리머는 연화된다. CTD 사가 이번에 개발한 탄성 기억 폴리머는 이러한 유리 전이 온도보다 높은 온도에서 연화되거나 매우 높은 연성을 가지게 된다. 한편, 유리 전이 온도보다 낮은 온도에서는 폴리머가 딱딱하거나 유리와 같은 형태를 유지한다. 유리 전이 온도보다 높은 온도에서는 탄성 기억 폴리머는 높은 변형 능력을 가지고 다른 형태로 늘어나기도 한다. 일단 다른 형태로 변형된 상태에서 냉각될 경우 온도가 변하지 않는 한 그 형태는 유지된다.

유리 전이 온도 이상으로 다시 가열될 경우에, 외부로부터 아무런 힘이 작용하지 않은 최초의 형태로 다시 복원된다. 따라서 탄성 기억 복합 소재로 제작된 튜브 형태의 구조물은 가열되어 적재하기 편한 형태로 만들어지며, 수송 후에 다시 가열되면, 최초의 튜브형 구조물로 되돌아온다.

더 많은 정보가 필요한 경우에는 Michael Tupper, Composite Technology Development Inc., 1505 Coal Creek Drive, Lafayette, CO 80026; tel; 303/664-0394로 문의하거나, Web site:www.ctd-materials.com으로 검색하기 바란다. 

한국과학기술정보연구원 http://www.kisti.re.kr 에서 발췌하였습니다.