[표지로 읽는 과학]3D 액정 속 카오스 첫 실시간 포착

2020.03.08 06:00
사이언스 제공
사이언스 제공

이글이글거리는 태양의 표면처럼 소용돌이치는 불꽃은 액정 안에서 물질들이 역동적으로 움직이는 모습이다. 일정한 방향도 없고 규칙도 없이 혼란스럽게 움직일 뿐이다. 물리학계는 이런 이런 현상을 '카오스(혼돈)'라고 부른다. 국제학술지 '사이언스'는 6일 입체(3D) 액정에서 일어나는 카오스 현상을 재현한 그림을 표지에 담았다.  

 

카오스 현상은 예측할 수 없을 만큼 불규칙하고 역동적으로 보이는 현상이다. 나비의 날갯짓이 지구 반대편에서 토네이도를 일으킨다는 '나비효과'처럼 작은 변화가 전혀 다른 큰 결과를 가져온다는 이론이다. 카오스 현상이 일어나는 대표적인 사례가 날씨와 주식시장이다.   

 

학계에서는 액정에서도 카오스 현상이 일어날 것으로 봤다. 액정은 고체와 유체의 성질을 모두 갖고 있는데다가, 여러 연구자들이 컴퓨터모델로 시뮬레이션 했을 때 액정을 이루는 입자들이 활성화하는 모습에서 카오스 현상을 확인됐다. 액정에서 카오스 현상이 일어나면 에너지에 따라 각 부분의 입자들이 상호작용하면서 커다란 시너지를 낼 것으로 추측된다. 

 

미국 브랜다이스대 물리학과와 산타바바라 캘리포니아대 물리학과, 독일 막스플랑크연구소 연구팀은 세계 최초로 3D 액정 내에서 일어나는 카오스 현상을 실시간 관찰하는 데 성공한 연구 결과를 사이언스에 이날 공개했다.  

 

연구팀은 액정 내 물질들이 활성화하는 모습을 관찰하기 위해 네마틱 액정을 연구했다. 손목시계나 휴대용 계산기 등에 쓰이는 네마틱 액정은 입자들이 긴 축 방향으로 배열돼 있지만 서로 불규칙하게 놓여 있다. 그런데 여기에 에너지를 가하면 결함이 생기면서 입자들의 구조가 달라진다.

 

연구팀은 카오스 현상을 관찰하기 위한 3D 네마틱 시스템을 만들고, 미생물이나 액정을 관찰하는 편광현미경을 이용해 에너지를 가했을 때 어떤 일이 일어나는지 실시간으로 관찰했다. 그 결과 분자들이 응집하거나 합쳐지거나 줄어들거나 열리면서 액정에서 나타나는 특유 현상인 '특이선'을 비롯해 고리 모양, 뫼비우스의 띠 모양 등을 나타낸다는 사실을 알아냈다. 일종의 카오스 현상이 일어난 것이다. 

 

연구팀은 이 연구 결과가 추후 차세대 액정과 활성물질을 개발하는 데 도움이 될 것으로 기대하고 있다. 

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