금속이 연성을 잃는 한계는 어디일까

2017년 10월 29일 18:00

[표지로 읽는 과학-네이처]

 

네이처 제공
네이처 제공

 

수도관 아닙니다.

 

이번주 네이처 표지는 푸른 바탕에 구릿빛 선이 복잡하게 얽혀있는 그림입니다. 아무런 규칙성이 없어 보이지만 자세히 살펴보면 각 선은 나름대로 격자를 만들고 있는 것을 알 수 있습니다. 일그러진 부분도 있고요.

 

이 그림의 주인공은 원자번호 73번인 탄탈룸입니다. 탄탈룸 원자가 다른 원자와 결합하는 방식을 선으로 표현했습니다. 금속 화합물이 각종 산과 잘 반응하는데 비해 탄탈룸 화합물은 산에도 반응하지 않습니다. 이 때문에 뼈를 고정하는 나사나 인공 관절처럼 체내에 들어가는 의료용 기기 재료로 널리 사용되고 있습니다.

 

바실리 블라토프 미국 로렌스 리버무어 국립연구소 연구원팀은 금속 탄탈룸에 압력을 가했을 때 일어나는 변화를 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 원자 단위에서 계산했습니다.

 

금속은 다른 원소와 달리 고체일 때 연성을 갖습니다. 충격을 가해도 부서지지 않고 길게 늘어납니다. 이는 고체 상태에서 원자 간의 결합이 금속만의 독특한 특징을 갖기 때문입니다. 흔히 ‘금속 결합’이라고 부릅니다. 원자의 가장 바깥에 있는 전자가 자유롭게 움직이면서 원자 간의 결합을 단단하게 이어줍니다. 외부에서 충격을 받으면 자유전자가 움직이면서 결합을 끈끈하게 이어주기 때문에 잘 부숴지지 않는 거지요.

 

연구팀은 이 연성의 한계가 어디까지인지 알아보고 싶었던 모양입니다. 원자 2억 6800만 개짜리 탄탈룸 고체를 수학적으로 계산했습니다. 탄탈룸의 자유 전자가 과연 얼마나 큰 힘까지 버티면서 결합이 끊어지지 않게 만드는지 실험한 겁니다. 온도나 압력과 같은 각종 물리력의 한계를 실험한 결과가 바로 이번주 네이처의 표지 논문입니다.

 

연구팀은 “물질마다 임계점이 다르지만 그 임계점 아래 환경에서는 얼마든지 결합력을 잃지 않고 밀가루 반죽처럼 자유롭게 형태를 변형할 수 있다는 것을 알게됐다”고 말합니다.

 

☞ 표지논문 바로 가기

Vasily Bulatov et al(2017), Probing the limits of metal plasticity with molecular dynamics simulations, Nature, 550(492-495)
doi:10.1038/nature23472

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