IBS "나노미터 이하 물질 균열 이해하는 실마리 찾아"

【대전=뉴시스】한 장의 2차원 이황화몰리브덴(MoS2)에 힘을 가할 때 발생하는 균열을 관측한 투과전자현미경 사진. 초록색 점이 몰리브덴(Mo)원자, 붉은색과 보라색 점이 힘이 가해진 방향에 수직으로 나타난 전위를 나타낸다. (사진=IBS 제공)

【대전=뉴시스】이시우 기자 = 기초과학연구원은 나노미터 크기 물질의 균열현상을 이해하는 실마리를 찾는데 성공했다고 18일 밝혔다.

 IBS에 따르면 나노구조물리 연구단 연구진이 투과전자현미경(TEM)을 이용해 2차원 이황화몰리브덴에서 일어나는 균열을 나노미터 단위에서 관측했다.

 이는 그동안 나노미터 크기 이상의 물질물질의 균열을 이해하는 과정으로는 설명이 불가능 한 것이다.

 그동안 물질의 균열은 힘을 가하면 늘어나다 균열이 생기는 연성 균열과 힘을 가한 즉시 균열이 발생하는 취성 균열로 나눠 설명됐다. 각 현상의 대표적인 물질이 플라스틱과 세라믹이다.

 이같은 설명에는 물질의 밀도, 경도 등 물리적 요소와 연속체 이론이 뒷받침돼 있다.

 하지만 최근 소재 연구가 나노미터 영역으로 확대되면서, 연속체 이론으로 균열 현상을 설명하기가 어려워 졌다.

 같은 원자 구성이라도 나노소재와 이를 뭉쳐 놓은 벌크소재는 물리적 성질이 완전히 다르기 때문이다.

 연구진은 나노미터 크기 이하 물질의 균형 현상을 이해하기 위해 몰리브데늄(Mo) 원자 하나와 황(S) 원자 두 개가 결합해 분자를 이룬 2차원 물질인 이황화몰리브덴을 관찰했다.

 원자의 위치를 정확히 알 수 있는 투과전자현미경으로 이황화몰리브덴에 힘을 가했을 때 변화는 과정을 관측했다.

【대전=뉴시스】사진 왼쪽부터 IBS 나노구조물리 연구단 이영희 연구단장, Zhao Jiong 박사, Ly Thuc Hue 박사.

 그 결과 힘을 가하면 원자의 변위가 나타나는 전위(dislocation)가 생기면서 균열하는 모습을 확인했다.  

 이는 이황화모리브덴을 뭉쳐서 만든 벌크 이황화몰리브덴에 힘을 가했을 때 늘어나지 않고 균열이 나타나는 현상과는 대조적이다.

 연구진은 이같은 사실이 기존의 연성 균열이나 취성 균열로는 단정할 수 없는 중간적 현상이라며 나노 영역에서의 균열 현상을 설명할 새로운 이론 정립이 필요하다고 결론 지었다.

  이영희 단장은 "이번 연구결과로 2차원 물질의 균열 현상은 기존 3차원 물질의 균열과는 근본적으로 달라 기존 연속체 이론 수정이 불가피하다"라며 "이러한 현상을 설명할 수 있는 새로운 이론 정립을 위한 연구를 진행 중"이라고 말했다.

 한편, 이번 연구는 IBS 나노구조물리 연구단 이영희 단장과, Zhao Jiong 박사, Ly Thuc Hue 박사가 수행했다.

 연구결과는 이날 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재됐다. 논문제목은 'Dynamical observations on the crack tip zone and stress corrosion of two-dimensional MoS2(Nature Communications)'이다.

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