작은 드럼을 이용한 나노물질 상전이 디코딩

물이 얼어서 얼음이 되거나 끓어서 증기가 되면 특정 온도에서 그 특성이 극적으로 변합니다. 이러한 소위 상 전이는 재료를 이해하는 데 기본이 됩니다. 하지만 나노재료에서 이러한 전이는 어떻게 작동할까요? 네덜란드 델프트 공과대학이 이끄는 과학자 팀은 Nature Communications에서 자성 나노재료의 상 전이의 복잡한 특성에 대한 새로운 통찰력을 제시했습니다. 그들의 연구 결과는 자기적 특성과 기계적 특성 간의 결합을 밝혀내어 초고감도 센서의 길을 열었습니다.

델프트 공대의 과학자들은 발렌시아 대학과 싱가포르 국립대학의 동료들과 협력하여 몇 개의 원자 두께에 불과한 2D 나노소재 FePS₃를 연구했습니다.

그들은 처음으로 이러한 물질의 매우 복잡한 상전이에 대해 더 깊은 통찰력을 얻는 방법을 개발했습니다.

연구팀은 FePS₃의 작고 부유한 막을 사용하여 온도를 변화시키는 동안 재료를 높은 진폭으로 진동시켰습니다.

이를 통해 재료의 진동이 상전이 온도 근처에서 어떻게 변하는지, 그리고 그에 따라 재료의 자기적 특성이 어떻게 변하는지가 밝혀졌습니다.

"레이저 빛이 드럼 스틱 역할을 하는 자기 구조의 드럼을 상상해보세요. 드럼은 지속적으로 진동하고 온도 변화에 따라 리듬이 미묘하게 바뀝니다." TU 델프트 기계공학부의 파르보드 알리자니 준교수가 설명합니다.

"이 자석 드럼은 따뜻할 때 느슨하고, 입자의 자연스러운 회전으로 작은 자석처럼 작용하는 자기 스핀은 무질서한 위상에 있습니다. 하지만 차가워지면 드럼이 조여지고 스핀이 규칙적인 패턴으로 끊어집니다. 이제 드럼을 치는 동안 온도를 따뜻한 것에서 차가운 것으로 천천히 바꾼다고 상상해 보세요. 그렇게 하면서 드럼이 다르게 느껴지기 시작할 때뿐만 아니라 이 변화가 매끄럽지 않다는 것(선형적)을 알아차립니다. 복잡하고 불규칙한(비선형적) 방식으로 전개되어 기계적 특성에 영향을 미칩니다."

상전이 온도

연구자들은 본질적으로 상 전이 동안의 이러한 비선형 변화를 측정했습니다.

나노스케일 드럼을 사용하면 이러한 갑작스러운 변형이 발생하는 온도를 감지하고 드럼의 기계적 거동이 어떻게 세부적으로 변하는지 연구할 수 있습니다.

"우리는 상전이 온도를 약 -160°C에서 정확히 찾아냈습니다." 이 연구에 영감을 준 박사 학위 논문을 쓴 마카르스 시킨스의 말입니다.

"또한, 우리는 온도 변화에 의해 주도되는 기계적 반응의 변화가 재료의 자기적 및 탄성적 특성과 직접적으로 결합되어 있다는 것을 발견했습니다."

초고감도 센서

이러한 막은 내부 및 외부 힘에 모두 매우 민감합니다.

시킨스는 "이러한 민감성으로 인해 이 제품은 매우 작은 환경 변화나 재료 자체의 내부 응력도 감지할 수 있는 센서에 이상적인 후보로 자리매김할 수 있습니다."라고 덧붙였습니다.

이 팀은 이 방법론을 적용하여 다른 나노소재의 상전이 비밀을 밝혀낼 계획입니다. 공동 저자인 Herre van der Zant: "저희 연구실에서는 나노드럼으로 소위 스핀파를 감지할 수 있는지 조사할 것입니다. 스핀파는 전자가 전도성 소재의 정보 운반체인 것처럼 자성 소재의 정보 운반체로 생각할 수 있습니다."

Alijani는 이러한 결과를 센서 성능 개선과 같은 실용적인 응용 분야로 전환하는 데 집중할 것입니다. 그는 "이러한 비선형 프로세스를 이해하면 초고감도 센서를 포함한 혁신적인 나노기계 장치의 기초가 마련됩니다."라고 말합니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250312124608.htm