One micron length scale controls kinetic stability of low energy glasses

물질은 보통 두 가지 익숙한 상태 중 하나로 존재합니다. 원자들이 제자리에 고정되어 있는 고체, 또는 원자들이 자유롭게 흐르는 액체입니다. 하지만 유리(glass)라고 불리는 세 번째의 수수께한 상태가 있습니다. 액체가 결정(crystal)을 형성하기에는 너무 빠르게 냉각되면, 분자들은 마치 번잡한 거리에서 발걸음을 멈춘 채 얼어붙은 사람들처럼 무질서한 배열 상태 그대로 움직임이 둔해집니다. 이 상태는 진정으로 안정적인 것이 아닙니다. 이는 일시적인 대기 상태에 갇힌 과냉각 액체이며, 더 편안하고 낮은 에너지를 가진 배열을 찾기 위해 천천히 움직이고 있는 상태입니다. 수십 년 동안 과학자들은 이러한 물질의 거동이 분자들의 작은 집단이 일제히 재배열되는 나노미터 규모의 미세한 움직임에 의해 지배된다고 믿어 왔습니다. 유리가 어떻게 결국 더 안정적인 상태로 완화(relax)되는지 이해하는 것은 기초 물리학뿐만 아니라, 의약품이나 첨단 전자 제품과 같이 비정질(amorphous) 물질의 장기적 안정성에 의존하는 산업 분야에서도 매우 중요합니다.

미국과 독일의 연구진은 이제 이 완화 과정을 지배하는 규칙이 단지 작은 분자 클러스터에 관한 것만이 아니라는 것을 발견했습니다. 대신, 그들은 특정 유형의 고도로 안정된 유리의 경우, 전체 변형 과정이 이보다 훨씬 큰 거리인 1마이크로미터에 의해 제어된다는 것을 발견했습니다. 이는 기존에 생각했던 영향력의 한계인 나노미터 척도보다 1,000배나 더 큰 수치입니다. 연구진은 인도메타신(indomethacin)이라는 약물의 박막을 연구함으로써, 유리가 다시 흐르는 액체로 변하는 데 걸리는 시간이 박막의 두께에 전적으로 의존하지만, 특정 지점까지만 그렇다는 사실을 관찰했습니다. 일단 박막이 1마이크로미터보다 두꺼워지면, 두께는 더 이상 중요하지 않게 됩니다. 이 예상치 못한 교차 현상은 유리가 균일한 덩어리가 아니라, 약 1마이크로미터 간격으로 배치된, 변형이 시작되는 드물고 숨겨진 지점들이 점재해 있는 지형이라는 것을 보여줍니다.

이 숨겨진 구조를 관찰하기 위해, 연구진은 75나노미터에서 30마이크로미터 범위의 두께를 가진 인도메타신 박막을 제작했습니다. 연구진은 이 물질을 매우 차가운 표면에 증기로 증착하는 방식으로 박막을 만들었는데, 이 기술은 일반적인 냉각 방식보다 분자들을 더 조밀하고 효율적으로 채워 넣습니다. 이 과정은 '저에너지' 유리를 만들어내며, 이는 매우 안정적이고 일반적인 유리 상태보다 훨씬 낮은 잠재 에너지 지형에 깊이 자리 잡고 있습니다. 연구진은 이 박막들을 극도로 정밀하게 열용량을 측정할 수 있는 미세한 센서 위에 놓았습니다. 그들은 샘플을 유리가 정상적으로 액체로 변하는 지점 바로 위의 온도로 가열한 뒤, 전체 박막이 변형될 때까지 시간이 얼마나 걸리는지 관찰했습니다.

결과는 놀라웠습니다. 600나노미터 미만의 가장 얇은 박막들의 경우, 변형에 필요한 시간은 두께에 따라 직접적으로 증가했습니다. 이 거동은 단순한 메커니즘을 시사했습니다. 즉, 변화가 공기에 노출된 표면에서 시작되어 해변으로 밀려오는 파도처럼 꾸준히 안쪽으로 이동한다는 것입니다. 박막이 두꺼워질수록 파도는 더 멀리 이동해야 했고, 바닥에 도달하는 데 더 많은 시간이 걸렸습니다. 이러한 표면 시작형 성장은 초당 약 0.04나노미터의 일정한 속도로 진행되었습니다. 그러나 박막이 600나노미터보다 두꺼워지면 관계가 변했습니다. 변형 시간은 완만해지기 시작했고, 1.4에서 30 사이의 박막에서는 변형에 걸리는 시간이 박막의 두께와 완전히 무관해졌습니다.

이러한 거동의 변화는 더 두꺼운 샘플에서 다른 메커니즘이 주도권을 잡고 있음을 나타냅니다. 이 더 큰 박막들에서는 변형이 표면 파도가 전체를 통과할 때까지 기다리지 않습니다. 대신, 변화가 물질 내부의 여러 지점에서 동시에 시작됩니다. 연구진은 이 시작 지점들, 즉 '개시 지점(initiation sites)'이 약 1마이크로미터 간격으로 떨어져 있다는 것을 계산해 냈습니다. 박막이 이 거리보다 얇을 때는 표면 파도가 내부의 어떤 지점이 시작되기도 전에 바닥에 도달합니다. 하지만 박막이 1마이크로미터를 넘어서면, 이 내부 지점들이 주변의 유리를 향해 성장하며 액체 주머니를 형성하고, 이 주머니들이 확장되어 결국 서로 합쳐지게 됩니다. 이 지점들이 서로 멀리 떨어져 있기 때문에, 이들이 전체 부피를 채우는 데 걸리는 시간은 박막의 두께가 아니라 그들이 얼마나 빨리 성장하느냐에 달려 있습니다.

이 내부 간격에 대한 증거는 여러 측면에서 나타납니다. 연구진은 가장 두꺼운 박막들의 변형 역학이 결정이 형성되는 방식을 설명할 때 흔히 사용되는 수학적 패턴을 따른다는 점에 주목했는데, 이는 액체 영역이 뚜렷하고 흩어져 있는 지점들로부터 성장하고 있음을 시사합니다. 또한, 유사한 물질에 대한 다른 실험들은 이미 500나노미터 이상의 척도에서 유리의 구조적 불규칙성을 암시한 바 있습니다. 다양한 온도와 박막 두께에 걸쳐 나타나는 1마이크로미터 거리의 일관성은, 이것이 무작위적인 발생이 아니라 이 고도로 안정된 유리들의 근본적인 구조적 특징임을 시사합니다. 이는 유리가 겉보기에는 완벽하게 균일해 보일지라도, 적절한 조건이 갖춰지기를 기다리며 일정 거리로 떨어져 있는, 약간 덜 안정적인 영역들이 존재함을 의미합니다.

이 발견은 유리의 거동이 오로지 나노미터 규모의 과정에 의해서만 지배된다는 오랜 견해에 도전합니다. 비록 분자의 초기 움직임은 아주 작은 규모에서 일어나지만, 이러한 특수 유리들의 전체적인 안정성과 변형은 훨씬 큰 마이크로미터 규모의 구조에 의해 결정됩니다. 연구진은 이러한 개시 지점들이 분자 패킹의 미세한 결함이거나, 혹은 주변보다 분자 이동성이 약간 더 높은 영역일 수 있다고 제안합니다. 비록 그들이 이 지점들의 정체를 정확히 짚어낼 수는 없지만, 그 간격을 명확히 측정해 낸 것은 유리의 내부 구조를 생각하는 새로운 방식을 제공합니다. 이는 유리의 안정성이 단순히 분자들이 얼마나 빽빽하게 채워져 있느냐의 문제가 아니라, 약한 지점들이 얼마나 멀리 떨어져 분포해 있느냐의 문제임을 시사합니다.

이 발견의 함의는 연구된 특정 약물을 넘어 확장됩니다. 연구진은 이 1마이크로미터의 길이 척도가 어떻게 만들어졌는지와 상관없이 고도로 안정된 유리들의 일반적인 특징일 것이라고 믿습니다. 만약 이것이 사실이라면, 많은 비정질 물질의 내구성과 유통기한은 이 숨겨진 개시 지점들 사이의 거리에 의해 영향을 받을 수 있습니다. 여기서 테스트한 물질보다 더 안정적인 물질의 경우, 이 거리는 잠재적으로 10마이크로미터 혹은 그 이상에 달할 수도 있습니다. 이 연구는 유리의 숨겨진 지형에 대한 새로운 창을 열어주며, 물질이 어디서나 동일해 보일지라도 그 안에는 발견을 기다리는 더 큰 규모의 구조가 존재함을 보여줍니다.