제가 일일이 답변을 드릴 수 없어서 검색해서 찾은 자료를 링크 올립니다.
고체물리학만 하신 분들은 하나의 상에만 집중하기 때문에 잘 모르는 얘기인데, 재료공학 하신 분들은 잘 아는 내용을 찾았기에 공부하시라고 링크 올립니다. 어디서는 고체열역학이라고도 하죠. 상변태가 상전이랑 많이 혼동되기 쉬운데, 재료공학에서는 각 상의 공간적인 분포 형태가 중요해져서 phase transformation 상변태를 주로 배우고, 물리학에서는 공간적 분포보다도 성질 자체의 변화에 집중을 하기에 phase transition 상전이를 주로 배웁니다.
상변태는 초전도 상전이와 관련해서 LK-99에서 황화구리를 분리하는 단계에서 이용할 수도 있고, 아파타이트 안에 구리가 다르게 납을 치환한 상이 여러 개 존재했을 때에, 이들 상이 분리되는데도 필요한 내용입니다.
좀 더 설명을 드리면, 도자기를 굽든 합금을 만들던 주로 사용되는 방법이 원료를 섞고 적절한 고온에서 적절한 시간을 놔두면 원료에 포함된 원자들이나 분자들이 움직여서 제자리를 찾아가고, 그게 온도를 낮추면 굳어서 우리가 보는 재료를 만든다는게 기본 원리입니다.
그러면, 원자나 분자는 왜 움직이냐면 주로 주변 환경에 재빠르게 반응하는 전자구름이 평형을 찾아 이동하면 원자핵이 따라서 이동한다는 픽쳐를 채택하는데 이게 Born-Oppenheimer가 생각한 픽쳐입니다. 영화에 나온 그 오펜하이머 맞습니다. 영화에서 오펜하이머의 상상을 표현하기 위해 작은 불꽃들이 날려대는 장면이 그런 겁니다. 놀란 감독이 제대로 공부했습니다.
이러한 과정을 설명하는게 kinetics 라고 하는데, 비평형열역학/비평형통계역학이 그 근본입니다. 참고로, 이 분야는 물리학자건 재료공학자건 화공학자건 화학자건 자세한 건 잘 모릅니다. 이 분야로 물리화학 박사학위를 받은 정치인이 있는데 메르켈 전 독일총리입니다. 제가 직접 연구해 본 가장 발달한 응용분야는 토카막이건 레이저핵융합이건 수소폭탄이건 핵융합을 통제하는 분야입니다.
하여간 뜨끈한 환경에서 원자/분자는 평형을 찾아 이동하는데, 이동하는 경로가 매끄럽지 않기 때문에 온도가 충분하지 못하거나 시간이 충분하지 못하면 여기저기에 걸려서 해당 온도에서는 진짜 안정을 찾아가지 못하고 중간에 걸려서 움직이지 못하는 경우가 생깁니다. 그 상태로 식으면 거기에 원자가 박힌채로 불순물이 되어 불순물의 전자 상태에 따라 고려청자 색을 내기도 합니다.
이런 상태가 결정구조 내에서 특정한 위치에 원자가 박혔을 때 우리에게 유용한 성질을 지닌 phase 상이 된다거나, 여러 상들이 이렇게 저렇게 배치된다면 이를 통제할 방법을 찾게 되는데, 이를 체계적으로 다룬 학문이 재료열역학, 고체열역학, 상변태 같은 이름으로 불리는 학문입니다. 그게 첨부된 자료에 있습니다.
여기서 약간 학문간 알력이 생기는데, 문제의 근원은 각 학문이 죄다 열역학을 일단 깔고 시작하기 때문인데 서로 상대방이 배우는 학문은 겨우 기초열역학이나 하는 학문으로 보이기 때문에 깔보는 시각이 생깁니다. 그냥 다른 분야입니다.
이제 LK-99 물질을 만들었는데, 뉴스를 따라가신 분들은 알겠지만 황화구리를 비롯해서 오만가지 불순물들이 분리되거나 섞여서 나옵니다. 여기서 순수한 아파타이트만 분리해내는 작업만도 골치아픕니다만, 불순물의 상은 아파타이트의 상과는 확연히 다르기 때문에 다음의 문제보다 쉬운편입니다.
진정한 문제는 같은 아파타이트라도 구리가 밖힌 위치에 따라서, 강자성체상, 부도체상, (그게 있다면) 상온에서 초전도상이 되는 금속상 등이 존재할 것입니다. 이들을 원하는대로 합성하거나 분리해 내려면 이들 상들의 열역학 상태도가 필요한데, 이 상태도를 만드는 작업은 정말 지루하고 명성도 옷얻는 작업입니다. 그래도 학자들이 계산 열역학 상태도라는 의미의 calphad 프로젝트로 꾸준히 만들고 있습니다.
문제는 상태도를 만드는데 꼭 필요한 상이 존재하지 않는 경우도 있습니다. 그래서 calphad 계산에 필요한 열역학 데이터를 DFT 계산으로 생성해내서 상태도를 그릴 수 있는지 연구해왔고, 제가 보니 쓸만한 상태까지 왔습니다.
이제 LK-99가 되기 위해 필요한 세 가지 상이 존재하는지 보려면 3원계 상태도를 그려봐야 하는데, Northwestern 대학의 Wolverton 그룹이 그린 상태도에 다 있으며, 이들의 상태가 매우 가까이 붙어있어 분리해내기 까다롭다는 걸 알 수 있습니다. 퀀텀에너지 뿐만 아니라 카우보이들과 일부 연구실에서는 일단 아파타이트를 분리해 내는데 성공했습니다.
제가 현역에 있을 때 술자리에서 3원계 상태도만 있으면 만들지 못할 물질없고, 분리해내지 못할 물질없다고 장담하는 분들을 많이 봤습니다. 술김에 하신 소리긴 하지만, 그 분들은 3원계 상태도를 그렸으니 만들어보시기 바랍니다.
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