물리학

물이 얼면 얼음은 최소한 교과서 이론에 따르면 최소 크기에 도달해야만 자라거나 줄어들고 생존할 수 있는 작은 종자 결정인 "핵"에서 먼저 형성됩니다. 이제 연구자들은 이러한 이해가 소위 금속-절연체 상전이에서 전기적 특성과 결정 구조가 모두 변하는 물질인 이산화바나듐(VO2)의 보다 복잡한 상전이에도 적용된다는 것을 보여주었습니다[1]. 팀은 이러한 전이를 주도하는 "시드"의 임계값 크기를 측정하고 결정 구조 전이를 연구하기 위한 새로운 기술을 시연했습니다. 결과는 고전적 핵형성 이론이 촉매, 레이저, 합금 및 세라믹 제조와 같은 분야에서 중요한 다양한 재료에 유효하다는 것을 시사합니다.

영하의 온도 환경에 정제수 한 통을 놓으면 작은 얼음 씨앗이 형성되기 시작합니다. 많은 것들은 빠르게 용해되지만 특정 임계값 크기보다 큰 것들은 성장하여 결국 합쳐져 하나의 얼음 덩어리를 만듭니다. 고전적 핵형성 이론과 관련된 결정화에 대한 이러한 관점은 물-얼음 전이에 대해 잘 받아들여졌습니다. University of California, Berkeley의 Junqiao Wu와 그의 동료들은 하나의 결정 구조에서 다른 결정 구조로 전환할 때 VO2에서 동일한 핵 생성 현상이 나타나는지 여부를 테스트하고 싶었습니다.

VO2는 표면 코팅, 센서 및 이미징 시스템에 사용됩니다. 340K 이상에서는 재료가 금속이므로 우수한 전기 전도체입니다. 실온에서는 부도체(부도체)가 됩니다. 이러한 금속에서 절연체로의 전이(MIT)는 재료의 결정 구조의 변화를 동반하며 물에서 얼음으로의 전이를 연상시키는 몇 가지 특징을 가지고 있습니다. 예를 들어, 재료가 충분히 순수하다면 VO2는 "과냉각"되어 일반적으로 절연 온도에서 금속 상태를 유지할 수 있습니다. 물은 어는점 이하로 과냉각될 수도 있습니다.

연구자들은 이전에 VO2 및 유사한 물질이 물과 동일한 방식으로 상전이를 핵화한다는 힌트를 보았지만 직접적인 증거는 없었습니다. 이러한 가능성을 탐구하기 위해 Wu와 그의 동료들은 금속 내에 상전이를 핵 생성할 수 있는 작은 영역인 "핵 생성 시드"를 배치하고 핵 생성 과정을 제어하는 ​​방법을 개발했습니다.

먼저 연구원들은 단면적이 약 100 × 250 평방 나노미터(nm2)이고 길이가 약 50 마이크로미터인 일련의 순수 단결정 금속 VO2 와이어를 만들었습니다. 각 실험에서 그들은 한 쌍의 평행한 전극 능선에 와이어 중 하나를 매달아 와이어가 끝 부분에서만 지지되도록 했습니다. 그런 다음 팀은 와이어 끝 부분에 헬륨 이온을 조사했습니다. 이 조사는 원치 않는 핵 생성을 유발하는 전극과의 접촉을 방지하는 방식으로 끝 부분을 손상시켜 "[핵 생성] 종자를 심고 자라기에 이상적인 묘상"을 만들었다고 Wu는 말합니다. 그들은 또한 와이어 전체에 걸쳐 일련의 줄무늬를 조사하여 8개의 별도의 "차폐" 세그먼트를 만들었습니다. 팀은 집속된 갈륨 이온 빔을 사용하여 결정 구조를 왜곡하고 각 세그먼트에 핵 생성 시드를 생성했습니다. 씨드의 직경은 10nm에서 180nm까지 다양했으며, 팀은 광학 현미경을 사용하여 와이어의 상전이에 대한 영향을 모니터링했습니다.

연구원들이 VO2의 정상 상전이 온도 아래로 와이어를 냉각시키면서 각 시드는 결국 해당 세그먼트에서 상전이를 촉발시켰습니다. 즉, 시드가 작을수록 전이 온도가 낮아졌습니다. 연구팀은 MIT가 진행되기 위해서는 수십 나노미터의 최소 시드 크기가 필요하다는 사실을 발견했습니다(정확한 값은 시드 생성 세부 사항에 따라 다름). 모든 결과는 고전적 핵형성 이론의 예측과 일치했습니다.

Wu는 결과가 VO2의 MIT가 핵 생성에 의해 주도되며 연구자들이 더 잘 연구된 물질을 사용하여 MIT에 대한 추가 통찰력을 얻을 수 있음을 나타냅니다. “이러한 현상을 지배하는 보편적인 무언가가 있습니다.”라고 그는 말합니다. 그는 또한 이 결과가 기초 연구뿐만 아니라 응용 분야에서 VO2의 사용을 향상시킬 수 있는 잘 제어된 상전이를 갖춘 재료를 설계하는 경로를 제공한다고 생각합니다. Wu는 “우리가 시연한 과냉각된 VO2는 향후 조사를 위한 이상적인 테스트 베드입니다.