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핵심내용

액체 속 입자의 불규칙한 운동에 숨어있는 공식 밝혀

- 세포 및 복잡한 용액에서 분자 브라운 운동 설명 -

□ 아인슈타인의 브라운 운동 이론으로도 해결되지 않던 통계물리학의 난제가 풀렸다. 중앙대학교 성재영 교수‧김지현 교수가 세포환경과 같은 복잡 액체에서도 일관되게 성립하는 분자들의 수송방정식을 발견했다고 한국연구재단(이사장 노정혜)은 밝혔다.
   ※ 이상엽 교수(서울대), 김준수 교수(이화여대), 성봉준 교수(서강대)가 공동으로 연구했다.

□ 꽃가루가 물에 떠서 끊임없이 움직이는 것과 같은 불규칙한 운동을 브라운 운동 혹은 열운동이라고 한다. 아인슈타인은 열운동하는 입자들의 이동 양상을 예측할 수 있는 방정식을 제시했다. 이 식은 입자의 크기가 크고 액체가 균일할 때는 정확했지만 여러 분자나 입자가 섞여 있는 복잡 액체에서는 맞지 않았다. 복잡 액체에서 입자 열운동을 설명하는 것은 현대 통계물리학의 난제 중 하나였다.

□ 연구팀은 복잡한 액체 속 입자의 이동을 일관적으로 설명하기 위해 주변의 미시적 환경에 따라 운동성이 바뀌는 무작위 운동입자 모델을 제안했다.

 ㅇ 복잡한 액체 속 입자 운동은 시간에 따라 양상이 변화하는데, 그 양상이 복잡 액체의 종류에 관계없이 비슷했다. 입자들은 아주 짧은 시간 동안은 총알처럼 관성운동을 하지만, 곧 매우 느린 아확산운동과 확산운동을 차례로 한다. 시간에 따라 입자의 이동거리가 정규분포에서 벗어나는 정도는 늘어나다 다시 줄어든다. 이 현상은 아인슈타인의 브라운 운동 이론이나 그 후 등장한 많은 이론들로도 설명할 수 없었다.

 ㅇ 연구팀은 환경에 따라 운동성이 변하는 무작위 운동입자 모델로부터 아인슈타인과 다른 새로운 수송 방정식을 얻었고, 이 방정식의 정확한 해가 세포 속 환경, 고분자 유체, 과냉각수, 이온액체 등에서 발견되는 다양한 비정규분포 수송 현상을 정확하고 일관되게 설명하는 것을 보였다.

□ 성재영 교수는 “이 연구는 통계물리학 분야의 난제인 복잡 유체 내 분자 열운동과 수송 현상을 설명할 수 있는 일반적인 방정식과 해를 찾아낸 것이다”라며, “세포 내 효소와 생체 고분자들의 열운동을 통해 일어나는 다양한 생명 현상들을 물리화학적으로 이해하고 예측하는 데 우선 응용할 계획이다”라고 후속연구 계획을 밝혔다.

□ 이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(리더연구)의 지원으로 수행되었다. 저명 국제학술지 ‘미국국립학술원회보(PNAS)’에 6월 11일 게재되었다.

상세내용

 < 논문명, 저자정보 >

논문명
Transport dynamics of complex fluids

저  자
성재영 교수(교신저자/중앙대), 김지현 교수(교신저자/중앙대), 송상근(제1저자/중앙대), 박성준 박사(중앙대), 김민정(서울대), 이상엽 교수(서울대), 김준수 교수(이화여대), 성봉준 교수(서강대)

< 연구의 주요내용 >

1. 연구의 필요성

 ○ 21세기 들어 크게 발전한 고해상도 단일분자 실험법과 분자 동력학 시뮬레이션 방법을 통해 복잡한 유체 내의 분자 운동을 관찰할 수 있게 되었다.

 ○ 이를 통해 복잡한 유체 내 분자들의 시간에 따른 이동거리가 유체의 종류가 달라짐에도 불구하고 모두 통계적으로 비슷한 패턴을 보이는 것이 관찰되었다. 또, 복잡액체 내 입자들의 이동거리분포는 보편적으로 아인슈타인의 브라운 운동 이론으로 설명할 수 없는 비정규분포를 따르는 것도 관찰되었다.

 ○ 이러한 복잡액체 내 분자 및 입자 운동은 아인슈타인의 브라운 운동 이론을 확장한 수많은 이론들 중 그 어느 것으로도 설명되지 않았다. 따라서 이러한 현상을 설명할 수 있는 모델과 수송 방정식이 무엇인지는 현대 비평형 통계역학분야의 가장 중요한 난제 중 하나였다.

2. 연구내용

 ○ 복잡한 액체 내 분자는 아주 짧은 시간 영역에서는 기체와 같이 관성 운동을 하지만 곧 매우 느린 아확산 운동*을 하며 최종적으로 확산운동을 한다. 실험관찰 시간이 충분히 길지 못할 경우에는 확산운동을 관찰하지 못하고 느린 아확산 운동까지만 관찰하는 경우도 있다. 복잡액체상 분자나 콜로이드 입자의 이동거리 분포는 시간에 따라 정규분포에서 벗어나는 정도가 늘어나다 다시 줄어드는 양상을 보인다. 이러한 양상은 세포핵이나 세포질, 세포막, 고분자 유체, 과냉각수, 이온액체, 유리, 강체입자 유체 등 다양한 복잡액체 계에서 공통적으로 관찰된다.
     * 아확산 양상: 입자가 매질 속에서 확산에 비해 상대적으로 느리게 퍼지는 양상

 ○ 이 현상을 설명하기 위해 연구진은 주변 환경에 따라 운동성이 바뀌는 무작위 운동자(random walker) 모델*을 최초로 제안하고, 이 모델로부터 아인슈타인이 얻었던 것과는 다른 새로운 액체상 분자 수송 방정식을 얻어 내었다.
     * 무작위 운동자 (random walker) 모델: 무작위 행보 모델이라고도 하며 입자의 움직임을 매 걸음마다 무작위적으로 방향을 선택하여 연속적으로 이동하는 것으로 나타내는 모델

 ○ 연구진은 이 수송 방정식의 정확한 일반적인 해답도 구하였는데, 이 해답은 과냉각된 물 분자의 운동, 이차원 강체 입자 유체 운동, 일차원 인지질 튜브 위를 움직이는 콜로이드 입자의 운동 등을 포함한 다양한 복잡 유체계의 입자나 분자의 운동을 일관되게 설명할 수 있었다.

 ○ 위의 분석을 바탕으로 내적 무질서도 및 외적 무질서도라는 새로운 개념을 제시하였고, 이 두 양이 복잡 유체계의 온도 또는 밀도에 따라 판이하게 다른 행동 양상을 보이는 것 역시 관찰하였다.

3. 연구성과/기대효과

 ○ 생명체를 구성하는 세포나 현대과학에서 관심을 가지는 다양한 복잡 액체계에서 일어나는 분자와 입자 열운동 및 수송현상을 정량적으로 이해하는 새로운 패러다임을 제시하였다.

 ○ 세포막이나 세포 내 환경에서 일어나는 생고분자 수송 양상의 이해를 통해 유전자 발현이나 신호 전달과정 등 세포 내 생고분자 수송과정을 거쳐 일어나는 다양한 생명현상을 정량적으로 이해하는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

...................(계속)

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