Cooperating Cracks in Two-Dimensional Crystals

고체 재료가 부서질 때, 그것은 좀처럼 단 하나의 깨끗한 선으로 일어나지 않는다. 대신, 실패는 종종 서로 성장하고, 뒤틀리고, 상호작용하는 균열의 네트워크로부터 시작된다. 공학 및 재료 과학의 세계에서, 이러한 균열이 어떻게 행동하는지를 이해하는 것은 안전과 설계의 문제이다. 수십 년 동안, 과학자들은 단일한 고체 블록 내에서 균열이 어떻게 이동하는지를 연구해 왔다. 그들은 두 균열이 동일한 평면에 존재할 때, 정렬 상태에 따라 서로를 밀어내거나 혹은 서로를 끌어당길 수 있다는 것을 알고 있다. 하지만 2차원 결정의 발견과 함께 새로운 개척지가 열렸다. 이것들은 종이 한 장을 겹겹이 쌓아 올린 것처럼 불과 몇 개의 원자 두께만을 가진 재료들이다. 이 초박형 시트 중 하나에서 균열이 형성되고, 바로 위나 아래의 시트에서도 또 다른 균열이 형성된다면 어떤 일이 벌어질까? 그 답은 우리가 두꺼운 재료에 대해 알고 있는 것의 단순한 연장이 아니다; 이 층들 사이의 상호작용은 사물이 부서지는 방식에 대해 완전히 다른 규칙들을 만들어낸다.

연구진은 이제 두 층으로 배열된 몰리브덴 디설파이드라는 재료 속의 균열을 관찰함으로써 이러한 숨겨진 규칙들을 밝혀냈다. 개별 원자를 볼 수 있는 강력한 현미경을 사용하여, 팀은 이 적층된 시트들 속에서 균열이 어떻게 성장하는지 관찰했다. 그들은 이러한 균열의 행동이 층들이 서로에 대해 어떻게 쌓여 있는지에 전적으로 달려 있다는 것을 발견했다. 인접한 층에서 두 균열이 서로 평행하게 달릴 때, 그들은 서로를 무시하지 않는다. 대신, 그들은 서로에게 끌려가며, 결국 하나의 선으로 합쳐질 때까지 그 경로를 구부린다. 이는 단일 고체 블록 내에서 평행한 균열들이 보통 서로를 밀어내거나 가해진 특정 응력의 종류에 따라 복잡한 방식으로 움직인다는 점을 고려할 때 놀라운 결과이다. 여기서 층들은 다리 역할을 하여 균열들을 서로를 향해 끌어당긴다. 반대로, 균열들이 역평행(anti-parallel) 방식으로 배치되어, 즉 서로 반대 방향에서 서로를 향해 달려올 때, 그들은 서로를 피하며 충돌을 피하기 위해 멀어진다.

이 기이한 행동의 비밀은 층 사이의 공간에 있다. 이 2차원 결정들은 시트 내부의 원자들을 결합하는 강한 결합보다 훨씬 더 약한 힘에 의해 결합되어 있다. 상부 층에서 균열이 열리면, 그것은 하부 층의 원자들을 잡아당기는 틈을 만든다. 두 층은 완벽하게 맞물려 있지 않기 때문에, 하부 층은 스트레스를 수용하기 위해 약간 미끄러진다. 이 미끄러짐, 즉 전단(shear)은 틈을 가로질러 이동하는 힘을 생성한다. 만약 균열이 평행하다면, 이 미끄러짐은 균열들을 서로 끌어당기는 인력을 생성한다. 만약 균열이 역평행이라면, 이 미끄러짐은 균열들을 밀어내는 척력을 생성하여 충돌을 피하게 한다. 연구진은 수십억 개의 원자 움직임을 모델링한 상세한 컴퓨터 시뮬레이션을 실행함으로써 이 메커니즘을 확인했다. 이 시뮬레이션들은 이 인력 또는 척력의 강도가 균열 사이의 거리와 층 사이의 연결이 얼마나 단단한지에 달려 있음을 보여주었다. 균열이 더 가까울수록, 그리고 층 사이의 연결이 더 강할수록, 그 효과는 더욱 극적으로 나타난다.

이 복잡한 원자적 움직임을 이해하기 위해, 팀은 이 문제에 대한 새로운 사고방식을 개발했다. 그들은 균열이 어떻게 성장하는지를 예측하는 데 사용되는 표준 규칙들과 층들이 서로 어떻게 미끄러지는지를 설명하는 모델을 결합했다. 이 접근 방식은 이웃한 균열과의 거리와 재료의 특성에 따라 균열이 정확히 어떻게 굽어지는지를 예측할 수 있게 해주었다. 그들의 계산은 현미경 관찰 및 컴퓨터 시뮬레이션과 완벽하게 일치했다. 그들은 이 상호작용이 매우 강력하여 실제로 재료를 더 질기게 만들 수 있다는 것을 발견했다. 균열이 퍼져나가 전체 구조를 약화시키기보다는 균열들이 합쳐지도록 유도함으로써, 재료는 파손되기 전에 더 많은 에너지를 흡수할 수 있다. 이는 엔지니어들이 균열이 상호작용하는 방식을 제어하기 위해 의도적으로 층을 배열함으로써 더 강한 재료를 설계할 수 있음을 시사한다. 균열이 형성되는 것을 막으려 노력하는 대신, 구조의 온전함을 보존하는 방식으로 균열들이 합쳐지도록 유도할 수 있는 것이다.

연구는 또한 층들이 서로 대해 뒤틀린 각도가 중요하다는 것을 밝혔다. 어떤 구성에서는 층들이 쉽게 미끄러지고 균열이 예측대로 행동한다. 다른 구성에서는 층들이 미끄러짐을 방지하도록 잠겨 있으며, 이 경우 균열들은 마치 단일 고체 블록에 있는 것처럼 서로를 무시한다. 이 발견은 이러한 재료들의 내부 구조가 화학적 조성만큼이나 중요하다는 점을 강조한다. 연구진은 몰리브덴 디설파이드와 순수 탄소로 이루어진 재료인 그래핀 모두에서 이 아이디어들을 테스트했으며, 동일한 원리가 적용됨을 발견했다. 이 결과는 차세대 초박형 소자에서 실패를 관리하는 방법에 대한 새로운 관점을 제공한다. 균들은 인접한 층들 사이의 약한 힘을 통해 서로에게 말을 걸 수 있다는 것을 이해함으로써, 과학자들은 이제 단순히 부서짐에 저항하는 것이 아니라, 더 오래 생존하기 위해 부서지는 방식을 능동적으로 관리하는 재료를 설계하는 것을 상상할 수 있게 되었다.