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4가지 금속의 합금은 400도의 온도 차에서 1만분의 1% 미만으로 확장
항공, 항공우주 또는 고정밀 전자 부품 응용 분야에 적합

열팽창이 없는 금속
4가지 금속의 합금은 400도의 온도 차이에서도 거의 변하지 않아

얼음과 같은 온도든 끓는 듯한 온도든 연구자들은 급격한 온도 차이에도 사실상 변하지 않는 금속 합금을 개발했다. "피로클로어 자석"이라 불리는 이 소재는 400도에서 1만분의 1% 미만으로 확장된다. 이는 기록적인 수치다. 이 엄청난 저항은 열팽창을 방지하는 것이 아니라 보상하는 자기 효과로 인해 가능하다. 전반적으로 합금은 일정하게 유지된다. 

▲ 일반적으로 금속은 가열되면 팽창한다. 하지만 이제 연구자들은 400도의 온도 범위에서도 거의 변화가 없는 금속 합금을 개발했다. © TU Wien(비엔나 공과대학)

강철, 구리, 금 등 대부분의 금속은 따뜻해지면 팽창한다. 그래서 예를 들어 에펠탑은 여름에 겨울보다 10~15cm 정도 더 높아진다. "물질의 온도가 높을수록 원자가 더 많이 움직이기 때문에 더 많은 공간이 필요하다." TU Wien의 공동 저자인 Sergii Khmelevskyi의 설명이다. 하지만 에펠탑에는 문제가 되지 않는 것도 많은 첨단 기술 응용 분야에서는 치명적일 수 있다. 예를 들어 우주 여행, 항공기 또는 마이크로 범위의 정밀 부품의 경우다.

인바(Inva)-효과의 원인은 무엇일까?

그렇기 때문에 재료 연구자들은 오랫동안 강한 온도 변화에도 가능한 한 변화가 적은 금속 합금을 찾아왔다. 그러한 합금 중 하나가 1896년에 발견된 인바(Invar)로, 철이 65%, 니켈이 약 35%로 구성된 화합물이다. 이는 매우 낮은 열팽창을 보여준다. 그 이유는 결정 격자 내에서 금속 원자의 움직임이 감소한 것이 아니라, 두 번째로 자기적 효과 때문이다. 이 경우 원자의 자기적 반발은 온도가 증가함에 따라 감소하고, 이는 열팽창을 상쇄한다.

하지만 이 인바 효과가 구체적으로 어떻게 작동하는지, 그리고 어떻게 최적화할 수 있는지는 지금까지 불분명했다. 이제 베이징 과학기술대학의 흐멜레브스키와 수석 저자인 쑨양밍이 이끄는 팀이 답을 찾았다. 그들은 복잡한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 Invar 재료의 공정을 재구성했다. 이는 물질 내 특정 전자의 동작 변화가 인바 효과의 원인임을 보여준다. Khmelevskyi는 "처음으로 우리는 열팽창이 사라지는 새로운 소재의 개발을 위한 구체적인 예측을 할 수 있는 이론을 갖게 되었다"고 말했다.

▲ 새로운 피로클로어( pyrochlore)자석은 최소한의 열팽창만으로 다른 금속 합금과 비교했을 때 열적으로 안정적인 온도 범위를 가진다. © Sun et al./ National Science Review, CC-by 4.0

4가지 금속의 완벽한 조화

말은 그렇게 했지만 실제로는 그렇지 않았다. 이러한 결과를 바탕으로 연구팀은 이제 Invar보다 온도 안정성이 더욱 뛰어난 금속 합금을 처음으로 개발했다. 새로운 합금은 지르코늄, 니오븀, 철, 코발트 등 4가지 금속의 혼합물로 만들어졌다. Sun의 동료인 Yili Cao는 "이로 인해 이전에는 도달할 수 없었던 영하 270도에서 영상 150도까지의 온도 범위에서 열팽창 계수가 극히 낮은 소재가 탄생했다"고 보고했다.

구체적으로, 실험 결과 새로운 소재는 400도까지 가열하더라도 약 1만분의 1% 정도만 확장되는 것으로 나타났다. 따라서 이 합금은 항공, 항공우주 또는 고정밀 전자 부품과 같이 온도 변화가 커도 부품의 모양이 그대로 유지되어야 하는 응용 분야에 적합하다.

이질적인 그리드가 중요

그런데 이 금속 합금이 왜 그렇게 열에 안정적일까? 획기적인 발전은 소위 피로클로어 자석의 특수한 구조 덕분에 가능했다. 같은 이름의 미네랄 피로클로어와 달리, 이 새로운 금속 합금은 완벽한 입방형 결정 구조를 형성하지 않는다. Sun과 그의 동료들이 설명했듯이, 그 결정 격자는 이질적이다. 특히 코발트 원자는 고르지 않게 분포되어 있다.

하이라이트:
이질 격자 구조는 격자 내에 열과 자기적으로 다르게 반응하는 하위 영역을 생성한다. 재료의 한 부분은 가열되면 수축하고, 다른 부분은 팽창한다. 합금의 금속 조성이 완벽하게 균형을 이루면 두 가지 효과가 서로 상쇄되어 전체 열팽창은 거의 0이 된다.
(National Science Review, 2025; doi: 10.1093/nsr/nwae462)
출처: 비엔나 공과대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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