버클리·옥스퍼드 등 연구진이 네이처에서 니오븀-티타늄 합금 2종이 나노 스케일 쌍정 형성으로 20켈빈에서 균열에 저항했다고 보고했으며, 극저온 소재 설계에 단서가 될 수 있다.
캘리포니아대 버클리, 로런스 버클리 국립연구소, 옥스퍼드대 연구진은 실험용 금속 합금 2종이 20켈빈, 즉 -253℃(-424°F)에서도 놀라울 만큼 손상 허용성을 유지했다고 보고했습니다. 비슷한 금속은 이 온도에서 보통 취성을 띠게 됩니다. 10월 14일 네이처에 발표된 이 연구는 철, 텅스텐, 크롬 등이 속한 체심입방 금속을 다룹니다. 이 금속군은 극저온에서 연성에서 취성으로 바뀌는 것으로 알려져 있습니다. 연구팀에 따르면 니오븀과 티타늄으로 만든 두 합금 모두 시험한 최저 온도에서 취성 거동으로의 측정 가능한 변화를 보이지 않았습니다.
연구진은 그 이유가 응력을 다루는 방식이 다르기 때문이라고 설명합니다. 이들 금속은 보통 전위라는 결정 결함이 움직이며 변형되는데, 온도가 내려가면 전위가 움직이기 어려워져 작은 균열이 퍼져 파손으로 이어질 수 있습니다. 새 합금에서는 결정의 작은 영역이 거울상 같은 배열로 재정렬되는 나노 스케일 쌍정 형성이 결정 구조의 국부적 변화와 함께 관찰됐습니다. 이런 영역이 인접한 결정의 경계에 닿으면 응력이 집중되고 새로운 전위가 생성되어, 금속이 깨지는 대신 변형될 새로운 경로를 얻습니다. 실험은 시료를 당기는 동안 헬륨으로 냉각하고 옥스퍼드셔의 ISIS 중성자·뮤온 시설에서 중성자 빔을 사용했으며, 이후 전자현미경, 원자 탐침 분석, 컴퓨터 모델링을 진행했습니다.
저자들은 이 결과가 이들 금속의 취성을 이해하는 방식을 바꾼다고 주장합니다. 계면에서 새 전위를 만들어내는 능력이 기존 전위가 얼마나 쉽게 움직이는가만큼 중요할 수 있다는 것입니다. 이는 극저온 조건용 구조 금속을 설계하는 길을 열 수 있으며 에너지 시스템, 운송, 항공우주와 관련될 가능성이 있다고 제안합니다. 다만 결과는 실험용 합금 2종에 대한 실험실 시험에서 나온 것이며, 이 글은 논문을 독립적으로 읽은 것이 아니라 사이언스데일리를 통해 배포된 대학 보도자료에 근거합니다. 따라서 이 접근법을 상용 소재로 얼마나 쉽게 옮길 수 있을지는 아직 분명하지 않습니다.
