새로운 발견은 분자가 음악처럼 열을 어떻게 약화시킬 수 있는지 보여줍니다.

기타를 연주한다고 상상해보세요. 줄을 튕길 때마다 다른 파동과 진동하고 상호작용하는 음파가 생성됩니다.

이제 그 아이디어를 작은 단일 분자로 축소하고, 음파 대신 열을 전달하는 진동을 상상해 보세요.

CU 볼더의 폴 M. 레이디 기계공학과 소속 엔지니어와 재료과학자 팀은 최근 이러한 작은 열 진동, 즉 포논이 음악적 음표처럼 서로 간섭할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 분자가 어떻게 "연결"되어 있는지에 따라 서로 증폭되거나 상쇄됩니다.

포논 간섭은 실온에서 분자 수준에서 측정되거나 관찰된 적이 없는 현상입니다. 하지만 이 연구팀은 이 미세한 진동의 비밀을 드러낼 수 있는 새로운 기술을 개발했습니다.

이 획기적인 연구는 추이 연구 그룹의 롱지 추이 조교수와 그의 팀이 주도했습니다. 미국 국립과학재단(NSF)의 지원을 받아 스페인(마드리드 재료과학연구소, 마드리드 자치대학교), 이탈리아(유기금속화학연구소), 그리고 볼더 대학교 화학과의 연구진과 협력한 이번 연구는 최근 네이처 머티리얼즈( Nature Materials) 저널에 게재되었습니다.

연구팀은 이번 연구 결과가 전 세계 연구자들이 모든 절연 재료의 주요 에너지 운반체인 포논의 물리적 거동을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 것이라고 밝혔습니다. 연구팀은 이 발견이 언젠가 미래 전자 및 소재의 열 발산 관리 방식에 혁명을 일으킬 것으로 기대합니다.

"간섭은 근본적인 현상입니다."라고 재료과학 및 공학 프로그램과 양자물질실험센터에도 소속되어 있는 쿠이는 말했다. "열 흐름의 간섭을 아주 미세한 수준에서 이해할 수 있는 능력이 있다면, 이전에는 불가능했던 장치를 만들 수 있습니다."

세상에서 가장 강한 귀

최 박사는 분자 포노닉스, 즉 분자 내 포논을 연구하는 분야가 오랫동안 이론적 논의의 장으로만 존재해 왔다고 말합니다. 하지만 이러한 분자적 멜로디와 진동을 직접 "듣는" 데에는 꽤 뛰어난 귀가 필요하며, 그러한 기술은 아직 존재하지 않았습니다.

하지만 최와 그의 팀이 개입하기 전까지는 그랬습니다.

연구팀은 모래알이나 톱밥 입자보다 작은 열 센서를 설계했습니다. 이 작은 탐침은 특별합니다. 분자를 포착하여 가능한 가장 작은 수준에서 포논 진동을 측정할 수 있는 기록적인 분해능을 갖추고 있기 때문입니다.

연구팀은 특별히 설계된 소형 열 센서를 사용하여 단일 분자 접합을 통한 열 흐름을 연구했고, 특정 분자 경로가 파괴적 간섭(열 흐름을 줄이기 위해 포논 진동이 충돌하는 현상)을 일으킬 수 있다는 것을 발견했습니다.

Cui 연구실의 박사과정 학생이자 이 연구의 주저자인 Sai Yelishala는 이 연구가 새로운 주사 열 탐침을 사용하여 실온에서 파괴적인 포논 간섭을 관찰한 최초의 사례라고 말했습니다.

다시 말해, 이 팀은 모든 물질이 탄생하는 규모, 즉 분자에서 열 흐름을 관리하는 능력을 개발했습니다.

"바다에 서로를 향해 움직이는 두 개의 물결이 있다고 가정해 봅시다. 두 물결은 결국 서로 충돌하여 그 사이에 교란을 일으킵니다."라고 옐리살라는 말했습니다. "이를 상쇄 간섭이라고 하는데, 이번 실험에서 우리가 관찰한 것이 바로 그것입니다. 이 현상을 이해하면 열 전달을 억제하고 재료의 성능을 극히 작고 전례 없는 규모로 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다."

작은 분자, 엄청난 잠재력

전례 없는 포논의 거동을 측정하고 기록할 수 있는 세계 최강의 귀를 개발하는 것은 하나의 목표입니다. 하지만 이 작은 진동은 정확히 무엇을 할 수 있을까요?

"이것은 분자 음성학의 시작일 뿐입니다."라고 옐리살라는 말했다. "신세대 소재와 전자 기술은 열 발산과 관련하여 많은 문제점을 안고 있습니다. 저희 연구는 분자의 화학적 특성, 물리적 거동, 그리고 열 관리에 대한 연구를 통해 이러한 문제점들을 해결하는 데 도움이 될 것입니다."

폴리머와 같은 유기 물질을 예로 들어 보겠습니다. 열전도도가 낮고 온도 변화에 민감하여 과열이나 성능 저하와 같은 심각한 위험을 초래하는 경우가 많습니다.

언젠가는 포논 간섭 연구의 도움을 받아 과학자와 엔지니어들이 새로운 분자 설계를 개발할 수 있을지도 모릅니다. 폴리머를 금속과 유사한 물질로 변환하여 생성적인 포논 진동을 활용하여 열 전달을 향상시키는 것입니다.

이 기술은 열을 이용하여 전기를 생성하는 열전기와 같은 분야에서도 중요한 역할을 할 수 있습니다. 이 분야에서 열 흐름을 줄이고 열 전달을 억제함으로써 열전 소자의 효율을 높이고 청정 에너지 사용의 길을 열 수 있습니다.

연구팀은 이번 연구가 그들에게도 빙산의 일각에 불과하다고 밝혔습니다. 콜로라도 볼더 화학자들과의 다음 프로젝트 및 협업을 통해 이 현상을 더욱 확장하고, 이 새로운 기술을 사용하여 분자 수준에서 다른 음성적 특성들을 탐구할 계획입니다.

"포논은 사실상 모든 물질에서 이동합니다."라고 옐리살라는 말했습니다. "따라서 우리의 초고감도 프로브를 사용하면 천연 및 인공적으로 만들어진 모든 물질의 발전을 가능한 한 최소 수준으로 유도할 수 있습니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250507152248.htm