새 둥지 메커니즘 설명
Focus: Explaining the Mechanics of a Bird’s Nest

실험과 시늉내기는 구조물의 탄력성의 특이한 성질을 설명한다.

새 둥지는 자연 공학의 경이로움이다: 가볍고 탄력적이지만 접착력이 있는 재료로 짜여진 무질서하고 유연한 막대 다발이다. 연구팀은 이제 엑스선 영상과 컴퓨터 시늉내기를 사용하여 둥지와 같은 짧은 막대들이 기계적 응력에 대한 특이한 반응을 얻는 방법을 설명했다. 그들은 가닥들 사이의 마찰과 가닥들의 접촉점의 분포가 둥지의 특성을 결정하는데 중요한 역할을 한다는 것을 발견했다. 이러한 요소들을 더 잘 이해하면 건축에서 둥지와 같은 막대 채움을 사용하는 노력에 도움이 될 수 있다.

새 둥지 구조는 쌀과 같은 촘촘한 곡물들의 무작위 포장과 머리카락과 같은 뻣뻣한 섬유들의 엉킴 사이의 중간인 일종의 낟알 물질이다. 매우 짧은 막대 모양의 입자로 만들어진 낟알 매질은 이전에 연구되었지만, 길이 대 너비 비율(가로 세로 비)이 수십 정도로, 충분히 구부러지고 서로 엮일 수 있을 만큼 긴 막대기에 대한 관심이 덜했다.

이전에 미국 University of Illinois (Urbana-Champaign)의 Mattia Gazzola와 Ohio주 University of Akron의 Hunter King과 동료들은 투명한 플라스틱 실린더에 붓고 피스톤과 같은 판을 사용하여 압축한 짧은 대나무 막대의 무작위 채움의 기계적 특성을 연구했다.

그들은 이 막대 조합이 판의 압력이 풀리면 원래 부피로 다소 되돌아간다는 것을 발견했다. 그러나 그것은 비선형적인 방식이다. 변형은 가해진 응력에 단순히 비례하지 않는다. 그리고 이력 특성이 있다. 압축 응력-변형 곡선이 해제 시 곡선과 일치하지 않는다. 두 곡선은 동일한 위치에서 시작하고 끝나지만 폐곡선을 만들면서 다른 경로를 따른다. 이러한 거동은 낮은 가로 세로 비 구형 입자의 압축에서도 관찰되었다.

이 이력 곡선은 압축 중에 에너지가 단순히 막대의 탄성 굽힘에 의해 저장되지 않는다는 것을 의미한다. 일부는 막대가 서로 미끄러지면서 마찰열처럼 손실되며, 그 크기는 곡선으로 둘러싸인 면적에 비례한다. 연구자들은 컴퓨터 시늉내기에서도 같은 정성적 거동을 보았다.

이런 거동을 더 잘 이해하기 위해 Gazzola와 동료들은 이제 컴퓨터 보조 X선 단층촬영법을 사용하여 막대 사이의 접점의 3차원 지도를 만들었다(길이 76 mm, 가로 세로 비 31). 연구팀은 이러한 접촉 지도가 압축 및 해제 주기 동안 어떻게 변경되는지 추적할 수 있었다.

데이터는 압축이 증가할수록 각 막대를 따라 접촉하는 횟수가 증가한다는 것을 보여주었다. 이런 접점은 굽힘을 제한하므로 압축이 증가하면 막대가 더 단단해진다. 이 관찰은 응력-변형 곡선의 비선형성을 설명한다. 연구팀은 또한 막대를 따라 접점의 미끄러짐과 마찰을 관찰했다. 접점이 움직이기 전에 정적 마찰을 극복해야 하기 때문에 압축과 해제 중 미끄러짐 사이에 비대칭이 발생한다. 어느 순간, 접촉점은 가장 안정적인 상태에서 벗어나 마찰에 의해 갇히게 된다. 이 비대칭성은 이력 곡선을 설명한다.

일부 건축가들은 기하학적으로 얽힌 둥지 같은 구조물을 사용하기 시작했다. 그리고 King은 “가장 간단한 기계적 반응의 기원에 대한 설명을 제공하는 것이 그러한 구조의 뻣뻣함, 펴늘림성 또는 단단함의 조정 가능성을 향한 첫 번째 단계가 될 것”이라고 희망한다. 그는 “성분의 간단한 세부 사항을 다양하게 변경함으로써 골재 재료 특성을 조정할 수 있는 엄청난 잠재력이 있다”고 생각한다.

미국 매사추세츠주 Brandeis University의 연성 물질 물리학자인 Seth Fraden은 새 둥지에는 “분명히 중요한 공학 원리들이 작용하고 있고, 우리는 그것들을 이해해야 한다”고 말한다. 그는 새로운 작업이 그 목표를 향한 “중요한 첫걸음”이라고 말한다. 그는 실험과 시늉내기를 칭찬하지만, 실제 둥지는 용기에 의해 제한되지 않기 때문에, 이러한 실험의 자연과의 직접적인 관련성은 불분명하다고 지적한다. 낟알 매질 전문가인 미국 University of Chicago의 Heinrich Jaeger도 동의하며, 구조체의 작은 크기는 그 거동이 막대기와 용기 벽 사이의 상호작용에 의해 강하게 영향을 받았을 수 있다는 것을 의미한다고 덧붙였다. King은 벽이 효과가 있다는 것에 동의하지만, 연구팀은 현재 그 구조체의 성질이 크기에 따라 어떻게 변화하는지 평가하고 있으며, 결국 경계 효과가 없는 “무한한 둥지”로 확대하기를 희망한다. 그는 무엇이 이런 자립 구조를 만들지는 두고 봐야 한다고 덧붙인다. 아마도 그것은 채움 과정의 세부사항에 달려 있을 것이다: 둥지를 짓는 새들은 “만드는 둥지의 가장자리에 튀어나온 막대를 구부리고 집어넣는 것으로 알려져 있으며, 이것은 아마도 자립 구조를 만들어낼 수 있다”고 그는 말한다.

Micromechanical Origin of Plasticity and Hysteresis in Nestlike Packings, Yashraj Bhosale, Nicholas Weiner, Alex Butler, Seung Hyun Kim, Mattia Gazzola, and Hunter King, Phys. Rev. Lett. 128, 198003 (2022), Published May 13, 2022.

줄어드는 트랜지스터
Synopsis: The Shrinking Transistor

연구자들은 단지 1 나노미터 길이로 예상되는 차세대 트랜지스터에 가장 적합한 규소와 이산화규소 소재를 알아냈다.

1965년 Gordon Moore는 집적회로의 트랜지스터 수가 약 2년마다 두 배로 증가할 것이라고 예측했다. 이 증가세는 여전히 대략적으로 예측을 따르지만, 트랜지스터가 더 이상 줄어들면 성능을 저하시킬 수 있는 터널링과 같은 양자 역학적 효과가 발생하기 때문에 결국 이러한 추세는 느려질 것이다. 이제 중국 Fudan University의 Ye-Fei Li와 Zhi-Pan Liu은 가로 치수가 1 나노미터 정도로 작은 트랜지스터 구조로 형성될 때 터널링에 강한 반도체 소재 2종을 확인했다.

그들의 연구에서 Li와 Liu는 기계 학습 방법을 사용하여 수천 개의 소위 장효과 트랜지스터를 시늉내기했다. 이 트랜지스터들은 전류 흐름을 조절하기 위해 절연층(일반적으로 이산화규소(SiO₂))과 함께 반도체층(일반적으로 규소(Si))을 결합한다. 두 연구자는 Si와 SiO₂의 격자 배향의 다른 조합을 사용하여 나노미터 크기에서 가장 우수한 성능을 발휘하는 것을 알아냈다.

그들이 고려한 2497개의 Si와 SiO2의 시늉낸 격자 구조 중에서, 두 연구자는 단지 40개만이 각 나노미터마다 반복되는 무늬를 가지고 있다는 것을 발견했다. 40개 중 10개만이 안정적이었으며, 계면 구조는 튼튼한 트랜지스터의 필수 사항인 덩어리 구조와 비슷한 에너지를 가지고 있었다. 그들은 또한 서로 상대적인 두 소재의 방향이 효과적인 소자 동작의 핵심이라는 것을 발견했다. 궁극적으로, 그들은 양자 터널링 효과를 최소화하는 Si(210)/SiO₂(102)와 Si(211)/SiO₂(112)라는 두 개의 물질 계를 식별했다.

연구자들은 이제 그들의 기법을 질화 갈륨과 탄화 규소와 같은 다른 트랜지스터 소재들을 연구하기 위해 사용할 계획이다. 이런 소재로 만들어진 트랜지스터는 규소 보다 높은 온도를 견딜 수 있고 높은 전압을 처리할 수 있어 전기 자동차나 기차와 같은 기술에 사용하기에 이상적이다.

Smallest Stable Si/SiO₂ Interface that Suppresses Quantum Tunneling from Machine-Learning-Based Global Search, Ye-Fei Li and Zhi-Pan Liu, Phys. Rev. Lett. 128, 226102 (2022), Published June 3, 2022.

수소가 풍부한 메테인-수소 화합물 발견
Synopsis: Hydrogen Heavyweight Found for Methane-Hydrogen Compounds

연구자들은 지구를 포함한 행성의 내부 동역학을 더 잘 이해하는데 도움을 줄 수 있는 50% 이상의 수소를 함유한 메테인-수소 화합물을 발견했다.

외태양계에서, 메테인과 수소 기반의 화합물은 물을 제외하고 가장 흔한 작은 분자이기 때문에, 극한 조건에서의 그들의 상호작용은 과학자들에게 흥미롭다. 메테인-수소 화합물의 특징은 지구과학과 재료과학 연구에서 나타났다. 그러나, 이러한 물질들이 보편적으로 있음에도 불구하고, 수십 년 동안 실험적으로 무시되어 왔다. 이제, 영국 University of Edinburgh의 Ross Howie와 그의 동료들은 다양한 메테인-수소 분자의 성질을 탐구하여 이전에는 관찰되지 않았던 수소가 풍부한 형태의 화합물을 발견했다. 이 발견은 해왕성, 천왕성, 지구, 그리고 메테인-수소 화합물이 발견된 다른 행성들의 진화와 내부 동역학을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 것이다. 메테인-수소 화합물을 형성하기 위해, Howie와 동료들은 다이아몬드 앤빌 셀(극한 압력으로 물질을 압축하는 장치)을 사용했다. 연구팀은 두 개의 다이아몬드 끝 사이에 약 1 나노리터의 메테인-수소 기체를 가두어서, 그것이 대략 사람의 머리카락의 지름과 같은 고체 화합물을 형성할 때까지 압축했다. 연구팀은 X선 회절 및 광학 분광 실험으로 생성된 고압 화합물의 구조를 파악했다.

연구팀은 5GPa 이상의 압력에서 수소가 풍부한 메테인-수소 화합물의 형성을 관찰했다. 이런 화합물 주 3개의 메테인 분자와 25개의 수소 분자로 구성된 (CH₄)₃(H₂)₂₅는 51%의 수소를 함유하고 있으며, 이는 알려진 물질 중 가장 많은 수소이다. 연구팀은 다른 화합물들과 함께 (CH₄)₃(H₂)₂₅의 온도 영향을 조사하기 시작했다고 말한다. 그들의 목표 중 하나는 그들이 실험을 수행하는 온도를 조절함으로써 수소가 풍부한 메테인-수소 화합물이 형성되는 압력을 줄일 수 있는지를 알아내는 것이다. 만약 이 화합물이 낮은 압력에서 형성될 수 있다면, 수소 저장에 사용될 가능성이 있다.

Formation and Stability of Dense Methane-Hydrogen Compounds, Umbertoluca Ranieri, Lewis J. Conway, Mary-Ellen Donnelly, Huixin Hu, Mengnan Wang, Philip Dalladay-Simpson, Miriam Pena-Alvarez, Eugene Gregoryanz, Andreas Hermann, and Ross T. Howie, Phys. Rev. Lett. 128, 215702 (2022), Published May 27, 2022.