[사이언스] 중앙대 연구팀, 아인슈타인 브라운 운동이론으로 해결 못한 통계물리학 난제 풀었다

액체 속 입자의 불규칙한 운동에 숨어있는 공식 밝혀

특허뉴스 염현철 기자 | 기사입력 2019/06/14 [15:33]

[사이언스] 중앙대 연구팀, 아인슈타인 브라운 운동이론으로 해결 못한 통계물리학 난제 풀었다

액체 속 입자의 불규칙한 운동에 숨어있는 공식 밝혀

특허뉴스 염현철 기자 | 입력 : 2019/06/14 [15:33]

 

▲ 사진_한국연구재단     © 특허뉴스

 

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.

 

아인슈타인의 브라운 운동 이론으로도 해결되지 않던 통계물리학의 난제가 풀렸다.

한국연구재단은 중앙대학교 성재영 교수김지현 교수가 세포환경과 같은 복잡 액체에서도 일관되게 성립하는 분자들의 수송방정식을 발견했다고 밝혔다.

이번 연구는 서울대 이상엽 교수, 이화여대 김준수 교수, 서강대 성봉준 교수가 공동으로 연구했다.

 

▲ 기존 무작위 운동입자 모델과 새롭게 제시한 역동적 연속시간 무작위 운동입자 모델_ 기존의 통상적 무작위 운동입자 모델 (위) 및 연속시간 무작위 운동입자 모델 (중간)은 세포 및 복잡액체 내 비정규적 확산을 정량적으로 설명할 수 없으나, 주변 환경의 동적 변화를 고려한 역동적 연속시간 무작위 운동입자 모델 (아래)은 다양한 복잡액체 계 분자 및 입자들의 비정규수송 현상을 일관되게 설명할 수 있다     © 특허뉴스

 

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

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.

 

▲ 역동적 연속시간 무작위 운동입자 모델을 통해 이루어진 복잡한 유체 내 입자의 움직임을 기술하는 다양한 물리량들의 정량적인 설명_ 이 연구에서 제시한 새로운 수송방정식의 해답을 통해 과냉각된 물과 이차원 강체 모델, 인지질 튜브 위의 콜로이드 입자의 평균 제곱 변위, 비정규분포 척도 (non-Gaussian parameter) 및 이동거리 확률 분포를 정량적으로 설명하거나 예측할 수 있다.     © 특허뉴스

 

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 것이다라며, “세포 내 효소와 생체 고분자들의 열운동을 통해 일어나는 다양한 생명 현상들을 물리화학적으로 이해하고 예측하는 데 우선 응용할 계획이다라고 후속연구 계획을 밝혔다.

 

이 연구 성과는 미국국립학술원회보(PNAS)’611일 게재되었다.     

 

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