유리는 고체와 액체 사이에서 매우 느리게 운동하는 `교착상태’의 물질’이라는 최신 연구가 나왔다고 라이브사이언스 닷컴이 23일 보도했다.
겉보기엔 고체이지만 액체와 같은 특성을 보이기도 하는 유리의 정체를 놓고 학자들은 오랫동안 궁금증을 가져 왔는데 영국과 캐나다, 일본의 과학자들은 네이처 머티리얼지 최신호에 발표한 연구보고서에서 유리의 원자들은 교통체증에 걸린 자동차처럼 길이 막혀 목적지에 도달하지 못하고 중간에 걸려있는 상태라고 밝혔다.
따라서 유리는 단단한 물질임에도 불구하고 완전히 고체가 되지는 못하는데 연구진은 이것이 유리 제조 과정에서 냉각될 때 형성되는 특수한 원자 구조 때문이라고 설명했다.
일부 물질들은 냉각되면서 원자들이 고도로 규칙적인 이른바 `래티스(격자)’ 패턴을 이뤄 결정이 되지만 유리는 결정이 되고 `싶어도’ 냉각 과정에서 원자들이 거의 무작위적인 배열로 교착상태에 놓이기 때문에 규칙적인 래티스 패턴을 이루지 못한다는 것이다.
낡은 건물의 창문 유리를 보면 액체와 같은 유리의 성질을 볼 수 있는데 수백년 묵은 유리는 중력 효과에 의해 밑으로 처지고 내부에서 일그러지는 현상을 보이기 시작한다.
연구진은 1950년대 물리학자 찰스 프랭크경이 가설로 제시하기만 했을 뿐 입증하지는 못한 이른바 `20면체’ 이론에서 답을 찾았다.
20면체는 3차원 5각형과 같고, 5각형 타일로 바닥을 깔 수 없듯 20면체로 3차원을 채울 수는 없다. 즉, 5각형으로 래티스를 만들 수는 없는 것이다.
연구진은 유리를 식힐 때 수많은 5각형이 형성되는 바람에 결정화와 5각형 사이에 경쟁이 일어나 결정이 되지 못한다는 사실을 실험으로 입증했다.
이들은 눈에 보이지 않는 원자 대신 원자와 비슷하면서 원자보다 훨씬 커 현미경으로 볼 수 있는 콜로이드(교질 膠質) 입자를 사용해 움직임을 관찰한 결과 콜로이드로 이루어진 젤 역시 결정이 되고 `싶어’ 하지만 20면체와 같은 구조 때문에 결정이 되지 못한다는 사실을 발견했다.
연구진은 유리가 냉각될 때 생기는 원자의 구조가 준(準)안정성 물질을 이해하는데 획기적 전기를 제공했으며 장차 `금속유리’라 불리는 가볍고도 강한 물질을 개발하는데 도움이 될 것으로 보고 있다.
이미 일부 골프 클럽에 사용되고 있는 이 물질은 많은 자유전자를 갖고 있어 투명하지 않고 광택을 띤 검은 색이 된다.