'준결정 구조 신소재' 원자 낮은 마찰력 첫 규명

재미 과학자 박정영 박사

액체와 고체의 특성을 모두 가진 ‘준결정 구조의 신소재’ 원자들이 낮은 마찰력을 갖는 원인이 재미 한국인 과학자에 의해 세계최초로 밝혀졌다.

미국 로렌스버클리 국립연구소와 버클리 캘리포니아 주립대에서 연구원으로 근무하고 있는 박정영(35) 박사는 26일 “준결정 구조를 가진 신소재 물질을 이용해 나노역학의 극한인 원자 크기에서 마찰력과 물질 구조의 상관관계를 규명했다”고 밝혔다.

김 박사의 연구논문은 세계적인 과학저널 사이언스 26일자에 게재됐으며 미국물리학회와 미국 진공학회의 뉴스로도 선정됐다. 그동안 준결정 구조의 낮은 마찰력은 재료공학적 연구를 통해 알려져 있었으나 그 근본 원인은 이번 박 박사의 연구를 통해 처음으로 밝혀진 것이다.

이에 따라 신소재의 역학적 특성을 이해하는 데 획기적인 돌파구가 열려 앞으로 나노 바이오 구동기, 초집적 반도체 구동소자 등 나노미터 크기의 역학적, 마찰학적소자의 개발에 큰 진전이 기대된다.

박 박사는 “물질의 구조와 마찰력간의 관계는 레오나르도 다빈치 시대부터 시작된 오래된 질문 중의 하나”라면서 “두 물체가 접촉할 때 두 표면이 마치 톱니날처럼 잘 맞는다면 서로 움직이기 힘들고 마찰력이 크지만 주기성을 가지는 단결정구조와 달리 준주기성을 가지는 준결정에서는 이런 효과를 기대하기는 힘들다”고 설명했다.

그는 “준결정은 정말 놀라운 물질”이라고 전제한 뒤 “준결정 구조는 원자의 배열이 피보나치 수열의 형태를 띠고 있는데 자연에서도 꽃잎, 소라 껍질, 혹은 사람의 손의 뼈들도 이런 피보나치 수열을 따르고 있다”고 말했다.

피보나치 수열은 12세기 말 이탈리아 천재 수학자 레오나르도 피보나치가 제안한 것으로 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89 등 모든 숫자가 앞선 두 숫자의 합이다. 최소공간에 최대의 물질을 배치하는 최적의 수학적 해법이며 수학적 황금비를 만들어낸다.

박 박사는 “이같은 피보나치 수열의 원자배열과 마찰력이 상관관계를 갖고 있다”면서 “이는 과학의 미(美)를 보여주는 한 예라고 할 수 있다”고 말했다.

박 박사는 “이번 연구에서 실험적으로 나노 역학적인 성질과 원자 구조적인 성질을 규명하기 위해 원자력 현미경과 주사터널링 현미경의 통합적인 시스템을 이용한 실험을 초고진공에서 수행했다”고 말했다. 그는 “현재 이 연구의 결과를 이용해 나노미터 수준에서의 마찰력 제어와 역학소자를 개발하는 연구를 진행중”이라고 밝혔다.

박정영 박사는 1999년 서울대 물리학과에서 박사 학위를 받은 후 미국 메릴랜드대학을 거쳐 현재 로렌스버클리 미국국립연구소에서 연구원으로 재직하고 있다.