준결정
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1. 개요
준결정은 주기적인 결정 구조를 갖지 않으면서도 규칙적인 회절 패턴을 보이는 고체 물질이다. 이슬람 건축의 기리시 패턴에서 초기 준결정 패턴과의 연관성이 발견되었으며, 1984년 댄 셰흐트만이 Al6Mn 합금에서 준결정을 발견하면서 학계에 알려졌다. 2011년 셰흐트만은 이 연구로 노벨 화학상을 수상했다. 준결정은 다각형 준결정과 이코사헤드럴 준결정의 두 가지 유형으로 나뉘며, 높은 열 및 전기 저항, 경도, 취성, 내식성 등의 특성을 보인다. 일부 준결정은 금속으로서는 이례적으로 높은 전기 저항을 보이며, 페르미 표면에 상태 밀도 저하 현상인 의사 갭을 갖는다.
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| 준결정 | |
|---|---|
| 지도 정보 | |
| 명칭 | |
| 영어 | Quasicrystal |
| 한국어 | 준결정 |
| 기본 정보 | |
| 정의 | 원자 배열에 장거리 질서가 있지만 병진 대칭성은 없는 물질. 결정과 비정질의 중간 상태로 볼 수 있음. |
| 특징 | 결정과 유사한 명확한 회절 패턴을 보임. 비정상적인 대칭성 (5회, 8회, 10회, 12회 회전 대칭성 등)을 가짐. 비정질과 달리 규칙적인 구조를 가짐. 주기적인 구조를 갖는 결정과는 다른 특성. |
| 발견 | 1982년 다니엘 셰흐트만(Daniel Shechtman)에 의해 발견 |
| 노벨상 | 2011년 다니엘 셰흐트만이 노벨 화학상 수상 |
| 구조 | |
| 구조적 특징 | 3차원 구조에서 원자들이 비주기적으로 배열됨. 장거리 질서를 가지지만 병진 대칭성은 없음. 결정처럼 규칙적인 배열을 보이지만 단위 세포의 반복으로 기술할 수 없음. 펜로즈 타일링과 같은 수학적 모델로 설명 가능. |
| 구조 분류 | 2차원 준결정 3차원 준결정 1차원 준결정 |
| 종류 | |
| 금속 합금 | 알루미늄-망간 합금, 알루미늄-구리-철 합금 등 |
| 소프트 물질 | 고분자, 액정 등에서 발견 |
| 활용 분야 | |
| 응용 분야 | 신소재 개발 광학 소자 촉매 열전 재료 |
| 미래 전망 | 새로운 재료 특성 연구 및 응용 분야 확대 기대 |
| 기타 | |
| 참고 자료 | 국제 결정학 연맹 (IUCr) 기사 |
2. 역사
준결정의 역사는 1980년대 초 댄 셰흐트만에 의해 처음 발견된 이후, 여러 과학자들의 연구를 통해 발전해왔다. 준결정은 결정과 비정질 고체의 중간 형태로, 독특한 구조와 성질을 가지고 있다.
- 초기 발견 (1984년 이전):
- 다르브이 이맘 사원 등 이슬람 건축에서 준결정 패턴이 발견되었다.[8]
- 트리니티 핵실험 후 붉은 트리니타이트 샘플에서 가장 오래된 인위적 준결정이 확인되었다.[11][12]
- 하오 왕과 로버트 버거는 왕 타일을 이용해 비주기적 타일링을 연구했다.
- 로저 펜로즈는 5회 대칭을 갖는 비주기적 펜로즈 타일링을 발견했다.
- 앨런 매케이는 펜로즈 타일링의 회절 패턴을 이론적으로 분석했다.
- R. M. 드 울프와 W. 반 알스트는 탄산나트륨 결정에서 4차원 상호 공간 구조를 발견했다.
- 셰흐트만의 발견과 준결정 개념 확립 (1984년 ~ 1992년):
- 1984년 댄 셰흐트만은 Al-Mn 합금에서 준결정을 발견했다.[13]
- 셰흐트만은 국립표준기술원(NIST)에서 10회 전자 회절 패턴을 관찰했다.
- 일란 블레흐와 존 W. 카인은 셰흐트만의 연구를 지원하고 격려했다.
- 블레흐는 "다중 다면체" 구조를 발견하고 컴퓨터 시뮬레이션으로 확인했다.[18]
- 셰흐트만은 ''금속학 거래 A''와 ''물리적 검토 편지''에 논문을 발표했다.[19]
- 폴 스타인하르트와 도브 레빈은 "준결정" 용어를 처음 사용했다.
- Ni-Cr, V-Ni-Si, Cr-Ni-Si 합금 등에서 다양한 대칭성을 가진 준결정이 발견되었다.
- 1987년 최초의 안정적인 준결정이 발견되었다.[21]
- 1992년 국제결정학연합은 결정 정의를 수정하여 비주기적 순서도 포함했다.[22]
- 채안방 등은 Al-Cu-Fe, Al-Ni-Co 등 안정적인 준결정을 발견했다.
- 자연에서의 준결정 발견과 노벨상 수상 (2001년 ~ 2011년):
- 폴 스타인하르트는 자연에 준결정이 존재할 수 있다고 가정했다.
- 루카 빈디는 카티르카 운석에서 준결정 샘플을 발견했다.
- 이코사헤드라이트가 발견되고 국제광물학회에 승인되었다.[23]
- 카티르카 운석에서 또 다른 천연 준결정이 발견되었다.
- 댄 셰흐트만은 준결정 연구로 2011년 노벨 화학상을 수상했다.[24]
- 연성 물질 및 분자 시스템으로의 확장 (2004년 이후):
- 연성 물질과 분자 시스템에서도 준결정이 발견되었다.
- 초분자 덴드리머, ABC 스타 폴리머 등에서 연성 준결정 구조가 발견되었다.[26][27]
- 나노 크기 분자 단위의 자기 조립으로 박막 준결정이 형성되었다.[28][29]
- 2차원 분자 준결정이 발견되었다.[30][31]
- 브라운 대학교 연구진은 양자점 기반 자체 구축 격자 구조를 생성했다.[32][33]
준결정은 발견 이후 다양한 분야에서 연구되고 있으며, 그 응용 가능성 또한 주목받고 있다.
2. 1. 초기 발견 (1984년 이전)
완벽한 준결정 패턴은 궁바드이 카부드 묘탑, 다르브이 이맘 사원 및 알-아타린 마드라사와 같은 초기 이슬람 미술 및 건축 작품에서 처음으로 표현되었다.[9][10] 1945년 7월 16일 뉴멕시코주 알라모고르도에서 실시된 트리니티 핵실험에서 이코사헤드랄 준결정이 생성되었다. 당시에는 눈에 띄지 않았지만, 나중에 융합된 모래와 구리 송전선으로 형성된 유리 같은 물질인 붉은 트리니타이트 샘플에서 확인되었다. 2021년에 확인된 이 준결정은 가장 오래된 인위적인 준결정이다.[11][12]
1961년 하오 왕은 타일 집합이 평면 타일링을 허용하는지 여부를 결정하는 것이 알고리즘적으로 풀 수 없는 문제인지 아닌지를 질문했다. 그는 모든 평면 타일링이 가능한 타일 집합은 '주기적'으로 할 수 있다는 가설에 의존하여 풀 수 있다고 추측했다(따라서 주기적으로 타일링되는 패턴을 얻을 때까지 점점 더 큰 패턴을 타일링하려고 시도하면 충분할 것이다). 그러나 2년 후 그의 제자인 로버트 버거는 평면을 타일링할 수 있지만 주기적인 방식으로는 타일링할 수 없는 약 20,000개의 정사각형 타일(현재 왕 타일이라고 함) 집합을 구성했다. 더 많은 비주기적 타일 집합이 발견됨에 따라 모양이 적은 집합이 발견되었다. 1974년 로저 펜로즈는 평면의 비주기적 타일링만 생성하는 단 두 개의 타일 집합을 발견했는데, 이는 현재 펜로즈 타일이라고 한다. 이러한 타일링은 5회 대칭을 보였다. 1년 후 앨런 매케이는 펜로즈 타일링의 회절 패턴이 5회 대칭 패턴으로 배열된 날카로운 '델타' 피크로 구성된 2차원 푸리에 변환을 가지고 있음을 이론적으로 보였다. 같은 시기에 로버트 아만은 8회 대칭을 생성하는 비주기적 타일 집합을 만들었다.
1972년 R. M. 드 울프와 W. 반 알스트는 탄산나트륨 결정에 의해 생성된 회절 패턴에 세 개의 지수로 레이블을 지정할 수 없고 하나 더 필요하다는 것을 보고했는데, 이는 기본 구조가 상호 공간에서 4차원임을 의미했다. 다른 난해한 사례들이 보고되었지만, 준결정의 개념이 확립될 때까지 이러한 사례들은 설명되거나 부인되었다.
2. 2. 셰흐트만의 발견과 준결정 개념 확립 (1984년 ~ 1992년)
1984년 댄 셰흐트만은 액체 상태에서 급랭한 Al-Mn 합금에서 준결정을 발견했다.[19] 셰흐트만은 미국 국립표준기술원(NIST)에서 Al6Mn 합금에 대한 연구 중 10회 전자 회절 패턴을 관찰했다.[13] 셰흐트만은 이 발견을 일란 블레흐와 존 W. 카인에게 알렸는데, 카인은 셰흐트만에게 이 현상을 규명하도록 격려했다.[14][15][16][17]1984년 봄, 블레흐는 셰흐트만에게 실험 결과를 다시 보여달라고 요청했고, 결정 쌍정이 아님을 확인했다. 블레흐는 병진 주기성은 없지만 정의된 각도와 거리로 연결된 세포를 가진 새로운 구조를 발견, "다중 다면체"라 명명하고 컴퓨터 시뮬레이션으로 10회 구조를 확인했다. 이 구조는 후에 이코사헤드랄 유리로 불렸다.[18]
셰흐트만은 블레흐의 발견을 받아들여 1984년 6월 "급속 냉각된 Al6Mn의 미세 구조" 논문을 작성, 1985년 ''금속학 거래 A''에 발표했다.[19] 카인의 제안으로 셰흐트만은 실험 결과를 ''물리적 검토 편지''에 빠르게 발표했고, 이는 "승리의 수"였다.
이 물질은 "셰흐트마나이트"로 불렸으나, 폴 스타인하르트와 도브 레빈이 "준결정" 용어를 처음 사용했다.
1985년 T. 이시마사 등은 Ni-Cr 입자에서 12회 대칭을 보고했고, V-Ni-Si 및 Cr-Ni-Si 합금에서 8회 회절 패턴이 기록되었다. 최초의 준결정은 열역학적으로 불안정했지만, 1987년 안정적인 준결정이 발견되어 연구가 활발해졌다.[21]
1992년 국제결정학연합은 결정 정의를 수정하여 주기적, 비주기적 순서를 모두 포함했다.[22] 도호쿠 대학의 채안방 등은 Al-Cu-Fe(1987년), Al-Ni-Co(1989년) 등 안정적인 준결정을 발견했다.
2. 3. 안정적인 준결정 발견과 국제결정학연합의 정의 수정 (1987년 ~ 1992년)
채안방 등의 안정적인 준결정 발견은 준결정 연구에 중요한 전기를 마련하였다. 이전까지 발견된 준결정은 열역학적으로 불안정하여 연구에 어려움이 있었으나, 안정적인 준결정의 발견으로 다양한 연구 및 응용이 가능해졌다. 특히, 1987년 Al-Cu-Fe, 1989년 Al-Ni-Co 등 도호쿠 대학 금속재료연구소(당시)에서 안정적인 준결정이 잇따라 발견되었는데, 이는 한국의 준결정 연구 기여를 보여주는 대표적인 사례이다.[21]1992년 국제결정학연합(IUCr)은 결정의 정의를 수정하여, 명확한 회절 패턴을 생성하는 물질을 결정으로 정의하고, 주기적이거나 비주기적인 순서 모두를 포함하도록 하였다. 이는 준결정이 공식적으로 결정의 한 종류로 인정받는 계기가 되었다.[22]
2. 4. 자연에서의 준결정 발견과 노벨상 수상 (2001년 ~ 2011년)
2001년 폴 스타인하르트는 준결정이 자연에 존재할 수 있다고 가정하고, 이를 인식하는 방법을 개발하여 전 세계의 광물학 컬렉션에서 잘못 분류된 결정을 식별하도록 요청했다.[23] 2007년 스타인하르트는 피렌체 대학교 광물학 컬렉션에서 카티르카에서 준결정 표본을 발견한 루카 빈디의 답변을 받았다. 2009년 말, 추가 검사를 거쳐 스타인하르트는 이 결정 샘플이 준결정 특성을 가짐을 확인했다. Al63Cu24Fe13의 조성을 가진 이 준결정은 이코사헤드라이트라고 명명되었고, 2010년 국제광물학회에서 승인되었다. 분석 결과, 이 준결정은 운석 기원일 가능성이 있으며, 탄소질 콘드라이트 소행성에서 온 것일 수 있다.[23] 2011년 빈디, 스타인하르트 및 전문가 팀은 카티르카에서 더 많은 이코사헤드라이트 샘플을 발견했다.[23] 카티르카 운석에 대한 추가 연구를 통해 10회 대칭과 Al71Ni24Fe5의 화학식을 가진 또 다른 천연 준결정의 미크론 크기 입자가 발견되었다. 이 준결정은 주변 압력에서 1120~1200K의 좁은 온도 범위에서 안정적이며, 이는 천연 준결정이 충격으로 인한 충격으로 가열된 운석의 급속 냉각에 의해 형성됨을 시사한다.
댄 셰흐트만은 준결정에 대한 연구로 2011년 노벨 화학상을 수상했다. 노벨 위원회는 "그의 준결정 발견은 원자와 분자의 포장에 대한 새로운 원리를 밝혀냈다"고 말했고, "이는 화학의 패러다임 전환으로 이어졌다"고 지적했다.[24] 2014년 이스라엘 우정국은 준결정과 2011년 노벨상을 기념하는 우표를 발행했다.[25]
2. 5. 연성 물질 및 분자 시스템으로의 확장 (2004년 이후)
금속간 화합물 성분으로 만들어진 최초의 준결정 외에도, 연성 물질 및 분자 시스템에서도 준결정이 발견되었다. 2004년과 2007년에 초분자 덴드리머 액체[26]와 ABC 스타 폴리머[27]에서 연성 준결정 구조가 발견되었다. 2009년에는 공기-액체 계면에서 균일하게 형성된 나노 크기 분자 단위의 자기 조립을 통해 박막 준결정을 형성할 수 있다는 것이 발견되었다.[28] 이러한 단위는 무기물과 유기물 모두일 수 있다는 것이 밝혀졌다.[29] 2010년대에는 분자간 상호 작용[30] 및 계면 상호 작용에 의해 구동되는 2차원 분자 준결정도 발견되었다.[31]2018년 브라운 대학교의 화학자들은 특이한 형태의 양자점을 기반으로 하는 자체 구축 격자 구조를 성공적으로 만들었다고 발표했다. 단일 성분 준결정 격자는 이전에는 수학적, 컴퓨터 시뮬레이션에서 예측되었지만,[32] 실제로는 증명되지 않았었다.[33]
3. 수학적 배경
준결정 패턴을 수학적으로 정의하는 방법은 여러 가지가 있다. 그중 하나는 하랄트 보어(닐스 보어의 수학자 형제)의 연구를 기반으로 한 "절단 및 투영(cut and project)" 구성이다. 보어는 거의 주기적인 함수(준주기 함수라고도 함)의 개념을 연구했으며, 여기에는 보흘(Bohl)과 에스깡글롱(Escanglon)의 연구도 포함된다.[34]
결정의 고전 이론은 각 점이 결정의 동일한 단위 중 하나의 질량 중심인 점 격자로 결정을 축소하고, 관련 군을 정의하여 결정의 구조를 분석한다. 반면에 준결정은 하나 이상의 유형의 단위로 구성되므로, 격자 대신 준격자를 사용해야 한다. 따라서 군 대신 범주론에서 군을 수학적으로 일반화한 그루포이드가 준결정을 연구하는 데 적절한 도구이다.[37]
준결정 구조의 구성 및 분석에 수학을 사용하는 것은 대부분의 실험자에게 어려운 작업이다. 그러나 기존 준결정 이론을 기반으로 하는 컴퓨터 모델링은 이 작업을 크게 용이하게 했다. 준결정 구조와 그 회절 패턴을 구성, 시각화 및 분석할 수 있는 고급 프로그램이 개발되었다. 준결정의 비주기적 특성은 블로흐 정리의 적용 불가능성으로 인해 전자 구조와 같은 물리적 특성에 대한 이론적 연구를 어렵게 만들 수 있다. 그러나 오차 제어를 통해 준결정의 스펙트럼을 계산할 수 있다.
준결정 연구는 강상관 전자계 금속에서 관찰되는 양자 임계점과 관련된 가장 기본적인 개념에 대한 통찰력을 제공할 수 있다. 금(Au)–Al–이터븀(Yb) 준결정에 대한 실험 측정은 온도가 0으로 갈 때 자기 감수율의 발산을 정의하는 양자 임계점을 밝혔다.[38] 일부 준결정의 전자 시스템은 조정 없이 양자 임계점에 위치하는 것으로 제안되며, 준결정은 열역학적 성질의 전형적인 스케일링 거동을 보이고 잘 알려진 강상관 전자계 금속 계열에 속한다.
결정은 병진 대칭성을 가지므로, 전자선 회절 등의 회절상은 1회, 2회, 3회, 4회 및 6회의 어느 하나의 회전 대칭성을 보인다. 이에 반해, 준결정의 회절상은 5회, 8회, 10회 또는 12회 대칭을 보인다. 또한, 준결정의 회절 무늬에는 예리한 회절점이 나타나 있으며, 비정질처럼 무작위적인 구조가 아니라 높은 질서도를 가지고 있음을 보여준다.
준결정은 1984년 다니엘 셰흐트만에 의해 액체 상태에서 급냉한 Al-Mn 합금에서 발견되었다. 초기 발견된 준결정은 열역학적으로 불안정하여 열을 가하면 더 안정된 결정상이 석출되었지만, 도호쿠 대학 금속재료연구소의 채안방 등에 의해 Al-Cu-Fe(1987년)나 Al-Ni-Co(1989년) 등 안정적인 준결정이 잇따라 발견되었다.
3. 1. 절단 및 투영 방법
하랄트 보어(닐스 보어의 수학자 형제)의 거의 주기적인 함수(준주기 함수라고도 함) 연구는 준결정 패턴을 수학적으로 정의하는 방법 중 하나인 "절단 및 투영(cut and project)" 구성의 기반이 되었다. 보어는 초공간(superspace) 개념을 도입하여, 준주기 함수가 고차원 주기 함수의 비이성적 슬라이스(하나 이상의 초평면과의 교차)에 대한 제한으로 나타나며, 그들의 푸리에 점 스펙트럼(Fourier point spectrum)을 논의했다.[34] 이러한 함수는 정확히 주기적이지는 않지만, 어떤 의미에서 임의로 가깝고, 정확히 주기적인 함수의 투영이기도 하다.준결정 자체가 비주기적이 되려면 이 슬라이스는 고차원 격자의 어떤 격자면도 피해야 한다. 니콜라스 고베르트 드 브뢸은 펜로즈 타일링을 5차원 초입방체 구조의 2차원 슬라이스로 볼 수 있음을 보였다.[35] 3차원의 이코사헤드럴(icosahedral) 준결정은 1984년 피터 크레이머와 로베르토 네리에 의해 처음 설명된 것처럼 6차원 초입방체 격자에서 투영된다.[36] 이러한 준결정의 푸리에 변환은 유한한 기저 벡터 집합의 정수 배로 선형 결합된 점들의 밀집 집합에서만 0이 아니며, 이 기저 벡터들은 고차원 격자의 기본 결정격자 역격자 벡터의 투영이다.
1차원의 피보나치 수열이나, 2차원의 펜로즈 패턴(로저 펜로즈에 의해 제안됨)과 같이, 병진 대칭성(주기성)을 가지지 않지만 높은 질서성이 존재하는 구조는 고차원 공간의 결정 구조를 그 결정 구조의 대칭축에 평행하지 않은 저차원 공간에 사영함으로써 얻을 수 있다.
3. 2. 고차원 격자와의 관계
니콜라스 고베르트 드 브뢸은 펜로즈 타일링을 5차원 초입방체 구조의 2차원 슬라이스로 볼 수 있음을 보였다.[35] 이와 비슷하게, 3차원 이코사헤드럴(icosahedral) 준결정은 1984년 피터 크레이머와 로베르토 네리에 의해 처음 설명된 것처럼 6차원 초입방체 격자에서 투영된다.[36]3. 3. 그루포이드와 준결정 연구
결정의 고전 이론에서는 결정 구조를 분석하기 위해 각 점을 결정의 동일한 단위 중 하나의 질량 중심으로 하는 점 격자를 사용하고, 관련 군을 정의한다. 반면 준결정은 하나 이상의 유형의 단위로 구성되므로 격자 대신 준격자를 사용해야 한다. 따라서 군 대신 범주론에서 군을 수학적으로 일반화한 그루포이드가 준결정을 연구하는 데 적절한 도구이다.[37]4. 구조
결정은 병진 대칭성을 가지므로, 전자선 회절 등의 회절상은 1회, 2회, 3회, 4회 및 6회의 어느 하나의 회전 대칭성을 보인다. 이에 반해, 준결정의 회절상은 5회, 8회, 10회 또는 12회 대칭을 보인다. 또한, 준결정의 회절 무늬에는 예리한 회절점이 나타나 있으며, 비정질처럼 무작위적인 구조가 아니라 높은 질서도를 가지고 있음을 보여준다. 이와 같이 병진 대칭성(주기성)을 가지지 않지만 높은 질서성이 존재하는 구조로서, 1차원의 피보나치 수열이나, 2차원의 펜로즈 패턴(로저 펜로즈에 의해 제안됨)이 알려져 있다. 이러한 구조는 고차원 공간의 결정 구조를 그 결정 구조의 대칭축에 평행하지 않은 저차원 공간에 사영함으로써 얻을 수 있다.
1984년 다니엘 셰흐트만은 액체 상태에서 급냉한 Al-Mn 합금에서 준결정을 발견했다. 초기 발견된 준결정은 열역학적으로 불안정하여 열을 가하면 더 안정된 결정상이 석출되었지만, 도호쿠 대학 금속재료연구소(당시)의 채안방 등에 의해 Al-Cu-Fe(1987년)나 Al-Ni-Co(1989년) 등 안정적인 준결정이 잇따라 발견되었다.
이코사헤드럴(I) 상, 데카고날(D) 상 외에도 8각형 상, 12각형 상의 준결정이 발견되었다.
4. 1. 이코사헤드럴(I) 상
셰흐트만이 발견한 준결정의 전자선 회절 무늬는 결정의 회절 무늬처럼 델타 함수적인 회절점들의 집합이지만, 결정에는 존재하지 않는 5회 회전 대칭성을 보이며 2회, 3회 회전 대칭성과 함께 정이십면체(icosahedron)의 대칭성을 가지고 있었다. 이러한 대칭성을 가진 준결정을 Icosahedral 상(I 상)이라고 부른다. I 상 준결정의 구조는 3차원 펜로즈 패턴에 원자를 배치한 것으로 이해되고 있다. 또한, I 상 준결정의 구조에는 계의 대칭성을 반영한 정이십면체 형태의 원자 클러스터가 존재한다. 이러한 국소 원자 클러스터는 준결정 내에서 원자의 종류와 구성 원자들 간의 결합 방식에 의해 결정된다. 현재까지 3가지 특징적인 국소 원자 클러스터를 가진 I 상이 발견되었으며, 각각 Mackay형, Bergmann형, Tsai형 I 상이라고 불린다.4. 2. 데카고날(D) 상
Al-Ni-Co 등, 정십각기둥과 같은 대칭성을 가지는 데카고날 상(D 상)이라고 불리는 준결정 상도 존재한다. D 상의 준격자는 2차원 펜로즈 패턴이며, 이 면이 적층된 구조를 가지고 있다. 즉, 평면 방향에는 준주기 구조를, 이와 수직인 축 방향에는 주기 구조를 가지고 있다.4. 3. 기타 준결정 상
이 외에도, 8각형 상, 12각형 상의 준결정이 발견되었다.5. 재료 과학
준결정은 세라믹과 유사한 특성을 가지며, 높은 열 및 전기 저항, 경도 및 취성, 내식성, 비점착성 등을 보인다. 1987년 도호쿠 대학 금속재료연구소(당시)의 채안방 등은 Al-Cu-Fe 준결정을, 1989년에는 Al-Ni-Co 준결정을 발견했다.
결정은 병진 대칭성을 가지므로 전자선 회절 등에서 1회, 2회, 3회, 4회, 6회 회전 대칭성을 보인다. 반면 준결정은 5회, 8회, 10회, 12회 회전 대칭성을 보이며, 회절 무늬에 예리한 점이 나타나 비정질과 달리 높은 질서도를 갖는다. 이러한 구조는 1차원 피보나치 수열이나 2차원 펜로즈 패턴(로저 펜로즈 제안)으로 알려져 있으며, 고차원 결정 구조를 저차원 공간에 사영하여 얻을 수 있다.
준결정은 1984년 다니엘 셰흐트만이 액체 상태에서 급냉한 Al-Mn 합금에서 처음 발견했다.
5. 1. 조성 및 종류
댄 셰흐트만의 최초 발견 이후, 수백 가지의 준결정이 보고되고 확인되었다. 준결정은 알루미늄 합금(Al–Li–Cu, Al–Mn–Si, Al–Ni–Co, Al–Pd–Mn, Al–Cu–Fe, Al–Cu–V 등)에서 가장 많이 발견되지만, 다른 많은 조성물도 알려져 있다(Cd–Yb, Ti–Zr–Ni, Zn–Mg–Ho, Zn–Mg–Sc, In–Ag–Yb, Pd–U–Si 등).[39]두 가지 유형의 준결정이 알려져 있다. 첫 번째 유형인 다각형(이면각) 준결정은 8, 10 또는 12배의 국소 대칭축(각각 팔각형, 십각형 또는 십이각형 준결정)을 갖는다. 이 축을 따라 주기적이며, 이 축에 수직인 평면에서는 준주기적이다. 두 번째 유형인 이코사헤드럴 준결정은 모든 방향에서 비주기적이다. 이코사헤드럴 준결정은 3차원 준주기 구조를 가지며, 이들의 이코사헤드럴 대칭에 따라 15개의 2배 축, 10개의 3배 축 및 6개의 5배 축을 갖는다.[40]
준결정은 서로 다른 열적 안정성의 세 가지 그룹으로 분류된다.[41]
- 느린 냉각 또는 주조와 그 후의 어닐링에 의해 성장한 안정 준결정
- 멜트 스피닝에 의해 제조된 준안정 준결정
- 비정질 상의 결정화에 의해 형성된 준안정 준결정
Al–Li–Cu 계를 제외하고, 모든 안정 준결정은 결함과 무질서가 거의 없다. 이는 X선 및 전자 회절에서 Si와 같은 완벽한 결정과 마찬가지로 날카로운 피크 폭을 보여준다. 회절 패턴은 5배, 3배 및 2배 대칭을 나타내며, 반사는 3차원에서 준주기적으로 배열된다.
안정 준결정과 준안정 준결정의 안정화 메커니즘의 기원은 다르다. 그럼에도 불구하고, 대부분의 준결정 형성 액체 합금 또는 과냉각 액체에서 관찰되는 공통적인 특징이 있다. 바로 국소적인 이코사헤드럴 질서이다. 이코사헤드럴 질서는 안정 준결정의 경우 ''액체 상태''에서 평형 상태에 있고, 준안정 준결정의 경우 ''과냉각 액체 상태''에서 우세하다.
Zr, Cu 및 Hf 기반의 귀금속 합금에서 나노스케일 이코사헤드럴 상이 형성되었다.[42]
대부분의 준결정은 높은 열 및 전기 저항, 경도 및 취성, 내식성 및 비점착성을 포함한 세라믹과 유사한 특성을 갖는다. 많은 금속 준결정 물질은 열적 불안정성으로 인해 대부분의 응용 분야에서 실용적이지 않다. 700 °C까지 열적으로 안정적인 Al–Cu–Fe 3원계와 Al–Cu–Fe–Cr 및 Al–Co–Fe–Cr 4원계는 주목할 만한 예외이다.
5. 2. 물리적 특성
대부분의 준결정은 높은 열 및 전기 저항, 경도 및 취성, 내식성 및 비점착성을 포함한 세라믹과 유사한 특성을 갖는다. 많은 금속 준결정 물질은 열적 불안정성으로 인해 대부분의 응용 분야에서 실용적이지 않다. 700 °C까지 열적으로 안정적인 Al–Cu–Fe 3원계와 Al–Cu–Fe–Cr 및 Al–Co–Fe–Cr 4원계는 주목할 만한 예외이다.준결정의 금속 특유의 물성으로는 금속으로서는 이례적으로 높은 전기 저항을 들 수 있다. 예를 들어, 알루미늄, 구리, 철은 모두 양도체이지만, 이들로 구성된 준결정 Al-Cu-Fe에서는 전기 저항이 10만 배에 달한다. 또한, 온도가 낮아지면 저항이 상승하고(일반적인 금속이 보이는 성질과 반대), 오히려 결함이 존재하는 경우 저항이 낮은(이것도 일반적인 금속의 성질과 반대) 등 특수한 성질을 나타낸다. 준결정의 페르미 표면에는 “의사 갭(擬ギャップ)”이라고 불리는 상태 밀도의 저하가 있으며, 이것이 특이한 전기적 성질의 원인이라고 생각된다. 의사 갭이 존재함으로써 계 전체의 에너지를 낮추고, 준결정의 구조를 안정화시키고 있다고 생각된다.
벌크로서의 준결정(안정 상)은 그 비주기성 때문에 쪼개짐면을 형성하기 어렵고, 따라서 비교적 단단하고 강인하다(취성이 아니다).
5. 3. 응용 분야
금속 준결정 코팅은 열분무 또는 마그네트론 스퍼터링을 통해 적용할 수 있다. 그러나 재료의 극심한 취성으로 인한 균열 경향은 해결해야 할 문제이다. 시료 크기나 코팅 두께를 줄이면 균열을 억제할 수 있다. 최근 연구에 따르면, 일반적으로 취성인 준결정이 상온 및 마이크로미터 이하 크기(500 nm 미만)에서 50% 이상의 변형률을 보이는 놀라운 연성을 나타낼 수 있다.프라이팬 코팅은 저마찰 Al–Cu–Fe–Cr 준결정[45]을 활용한 응용 사례이다. 이 코팅은 음식이 스테인리스강보다 덜 달라붙어 세척이 용이하며, 불소수지 코팅보다 열전달과 내구성이 우수하고, 퍼플루오로옥탄산(PFOA)이 없다는 장점이 있다. 또한, 표면이 매우 단단하여 스테인리스강보다 10배 더 단단하다고 알려져 있으며, 금속 식기나 식기세척기 세척으로도 손상되지 않고, 높은 온도에도 견딜 수 있었다. 그러나 초기 출시 후에는 크롬강으로 제작되었다.[46]
준결정은 "갑옷처럼" 강철을 강화할 수 있다고 알려져 있다. 침강경화 스테인리스강은 소량의 준결정 입자로 강화되어 부식되지 않고 매우 강하며, 면도날과 외과 수술 기구에 적합하다. 이는 작은 준결정 입자가 재료 내 전위의 이동을 방해하기 때문이다.
준결정은 단열재, LED, 디젤 엔진, 열을 전기로 변환하는 새로운 재료 개발에도 사용되고 있다. 또한, 플라스틱에 준결정 입자를 넣어 강하고 내마모성이 뛰어나며 마찰이 적은 플라스틱 기어를 만들거나, 우수한 단열 코팅을 만드는 데에도 활용될 수 있다. 준결정은 불규칙한 원자 구조에도 불구하고 표면이 매끄럽고 평평하다는 특징이 있다.[47]
이 외에도 에너지 변환을 위한 선택적 태양 흡수체, 광대역 반사체, 생체 적합성, 저마찰 및 내식성이 요구되는 골 재생 및 보철 응용 분야 등에도 활용될 수 있다. 마그네트론 스퍼터링은 Al–Pd–Mn과 같은 다른 안정적인 준결정 합금에도 쉽게 적용될 수 있다.
6. 특이한 물성 (일본어 문서 내용)
준결정은 금속의 성질을 가지면서도, 일반적인 금속과는 다른 특이한 물성을 보인다. 알루미늄, 구리, 철과 같이 전기를 잘 통하는 금속들로 구성된 Al-Cu-Fe 준결정은 이례적으로 10만 배나 높은 전기 저항을 갖는다. 또한, 온도가 낮아지면 저항이 커지고, 결함이 있으면 오히려 저항이 낮아지는 등 일반 금속과는 반대되는 현상을 보인다.
이러한 특성은 페르미 표면에 나타나는 "의사 갭(擬ギャップ)"이라는 상태 밀도의 감소 현상 때문으로 알려져 있다. 의사 갭은 계 전체의 에너지를 낮추어 준결정의 구조를 안정화시킨다.
한편, 벌크 형태의 준결정은 비주기적인 구조로 인해 쪼개짐면이 잘 형성되지 않아 비교적 단단하고 강하며, 취성을 보이지 않는다.[1]
6. 1. 높은 전기 저항
준결정은 금속임에도 불구하고 이례적으로 높은 전기 저항을 갖는 특성을 보인다. 예를 들어, 알루미늄, 구리, 철은 모두 전기 전도성이 좋은 양도체이지만, 이들로 구성된 준결정 Al-Cu-Fe는 전기 저항이 10만 배에 달한다. 또한, 온도가 낮아지면 저항이 상승하고, 오히려 결함이 존재할 때 저항이 낮아지는 등 일반적인 금속과는 반대되는 특성을 나타낸다.준결정의 페르미 표면에는 "의사 갭(擬ギャップ)"이라고 불리는 상태 밀도의 저하가 존재하는데, 이것이 특이한 전기적 성질의 원인으로 여겨진다. 의사 갭은 계 전체의 에너지를 낮추어 준결정의 구조를 안정화시키는 역할을 한다고 추정된다.
6. 2. 의사 갭(Pseudo-gap)
페르미 표면에는 "의사 갭(pseudo-gap)"이라고 불리는 상태 밀도의 저하가 있으며, 이것이 특이한 전기적 성질의 원인이라고 생각된다. 의사 갭이 존재함으로써 계 전체의 에너지를 낮추고, 준결정의 구조를 안정화시키고 있다고 생각된다.6. 3. 역학적 성질
벌크 상태의 준결정(안정 상)은 그 비주기성 때문에 쪼개짐면을 형성하기 어렵다. 따라서 비교적 단단하고 강인하며, 취성이 아니다.[1]참조
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