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규산염 유리에서 균일한 결정핵 형성

전문가 제언: ○ 규산염 유리에서 결정의 핵형성 과정에 대한 내용을 열역학 방정식의 각항과 결부시켜 검토한 논문이다. 방대한 문헌을 참고하고 있다. 규산염은 용융되어 유리로 변한다. 무정질은 핵형성이 어렵기 때문에 큰 결정으로 되기는 어렵다. 결정이 얻어지려면 결정핵이 먼저 발생해야 한다. 그 결정핵을 크게 키워 대형 단결정으로 만든다. 이 논문은 40여 년간의 유리의 핵형성 연구 내용을 사적인 고찰로 기술하고 있다.

○ 무정질에서 핵의 발생은 1차 핵형성과 2차 핵형성으로 나누어진다. 1차 핵형성에는 균일 핵형성과 불균일 핵형성이 있다. 핵형성은 무질서상태에서 질서상태로 결정이 진행하는 초기 과정이다. 원자수준의 원자나 분자수준의 분자들의 회합-이산을 초고속으로 되풀이하는 통계적인 과정이다. 실험적인 데이터를 얻는 것은 대단히 어려운 일이다.

○ 실험과 이론을 비교해서 열역학적인 데이터를 얻는 경우 결정성장의 구동력을 이용한다. 자유에너지가 핵형성의 경우에는 구동력이 된다. 주어진 핵 성장의 구동력을 측정할 수 있다. 가령 핵형성에 관계하는 물리량, 발생하는 결정핵의 수, 걸리는 시간, 핵 발생 때의 전류 전압 특성 등이 있다. 이들의 특성이 결정성장을 촉진시키는 인자가 된다.

○ 구동력의 인자로 화학 전위차, 압력, 전계, 기계적인 충격 등이 알려져 있다. 자계도계의 에너지 변화를 일으키는 가능성이 있다. 자유에너지의 경우는 외부로부터 일을 시키는 경우에는 깁스의 자유에너지 G가 이용된다. 핵형성을 제어할 목적으로 외부에서 일이 일어나지 않을 때에는 헬름홀츠의 자유에너지 F가 이용된다.

○ 결정성장에 대한 이론 연구는 우리에게는 전무한 것으로 본다. 결정성장 이론은 열역학에 속하는 기초과학이다. 원래 결정이 성장된 곳은 광물형성에서 비롯된다. 고체물질은 정질과 무정질로 나누어진다. 무정질은 자연환경에 의하여 서서히 정질로 변한다. 자발적인 자연의 변화과정이다. 그래서 광물성장에 열역학이 관여하는 것이다.

저자: Fokin, VM; Zanotto, ED; Yuritsyn, NS; Schmelzer, JWP
자료유형: 학술정보