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국내 4개 대학 교수팀 '통계물리학 난제' 풀어복잡 액체 속 분자 수송방정식 제시…아인슈타인 이론과 다른 도식
  • 윤승훈 기자
  • 승인 2019.06.14 16:02 ㅣ 수정 2019.06.14 16:02  
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한국연구재단은 성재영·김지현 중앙대 교수 연구팀이 복잡한 액체 속에서도 일관되게 성립하는 분자 수송방정식을 제시했다.

이상엽 서울대 교수, 김준수 이화여대 교수, 성봉준 서강대 교수도 공동으로 연구했다.

분자 운동론에서 가장 대표적인 이론이 브라운 운동(열운동)이다.

1827년 영국 식물학자 로버트 브라운이 물에 떠 있는 꽃가루를 현미경으로 살피다 작은 입자가 수면 위를 끊임없이 돌아다니는 것을 발견한 게 시초다.

▲ 무작위 운동입자 모델 비교도. 기존 통상적 무작위 운동입자 모델(위)과 연속 시간 무작위 운동입자 모델(중간)은 세포나 복잡액체 내 비정규적 확산을 정량적으로 설명할 수 없다. 그러나 새롭게 제시한 역동적 연속시간 무작위 운동입자 모델(아래)은 다양한 복잡액체 계 분자와 입자 비정규수송 현상을 일관되게 설명할 수 있다.

이후 아인슈타인에 의해 구체적으로 도식화했다.

다만 여러 분자나 입자가 섞인 복잡한 액체에선 브라운 운동 이론으로 설명할 수 없는 비정규분포 움직임이 관찰됐다.

이 때문에 복잡 액체에서 입자 열운동을 설명하는 건 현대 통계물리학 난제 중 하나로 인식되고 있다.'

연구팀은 복잡한 액체 속 입자 이동을 찾기 위해 주변 미시적 환경에 따라 운동성이 바뀌는 무작위 운동 입자 모델을 제안했다.

14일 연구팀에 따르면 복잡한 액체 속 입자 운동은 시간에 따라 양상이 바뀐다.

그 양상은 복잡 액체 종류와 관계없이 비슷했다.

입자는 아주 짧은 시간 동안 총알처럼 관성운동을 하지만, 곧 아확산 운동(확산보다 상대적으로 느리게 퍼지는 상태)과 확산 운동을 차례로 한다.

시간에 따라 입자 이동 거리가 정규분포에서 벗어나는 정도는 늘어나다 다시 줄어들었다.

이 현상은 아인슈타인의 브라운 운동 이론이나 그 후 등장한 많은 이론으로 해석할 수 없는 것이라고 연구팀은 전했다.

아인슈타인과 다른 새로운 수송방정식을 얻은 건데, 이 방정식의 정확한 해가 세포 속 환경·고분자 유체·과 냉각수·이온 액체 등 다양한 비정규분포 수송 현상을 정확하게 설명했다.

성재영 교수는 "통계물리학 분야 난제 중 하나인 복잡 유체 내 분자 열운동과 수송 현상을 설명할 수 있는 일반적인 방정식과 해를 찾아낸 것"이라며 "다양한 생명 현상을 물리 화학적으로 이해하고 예측하는 데 응용할 계획"이라고 말했다.

연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(리더연구) 지원으로 수행했다.

성과를 담은 논문은 지난 11일 미국국립학술원회보(PNAS)에 실렸다.

윤승훈 기자  press@jeonpa.co.kr

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