펜로즈 타일링과 준결정에 대한 설명을 보고 있는데 5회 대칭구조가 무슨 뜻인지 이해가 안갑니다.
화학산책을 봤는데도 딱히 이해가 안가영..
1982년 4월 8일, 셰시트먼 교수가 미국 국립표준기술연구소(NIST, 당시 국립표준국)에서 방문연구원으로 있을 때다. 그는 그날도 어김없이 전자현미경으로 합금의 결정구조를 관찰하고 있었다. 중량기준으로 20%의 망간이 섞여있는 알루미늄 합금의 결정구조를 관찰하던 중 원자 배열이 이상하다는 것을 발견했다. 전자현미경으로 관찰한 회절패턴이 5회 대칭구조를 이루고 있는 것이다. 5회 대칭구조를 가지는 결정은 없다는 게 당시의 정설이었다.
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물리학자 폴 스타인하르트(Paul Steinhardt, 1952~)와 도브 르바인(Dov Levine)은 이 결정 구조를 ‘
펜로즈 타일링
’의 패턴 구조로 설명할 수 있다는 사실을 같은 과학지에 발표했다.
또 다른 종류의 준결정을 찾는 연구도 본격적으로 시작됐다. 과학자들은 여러 금속 합금에서 8회, 10회, 12회 대칭구조를 더 찾았다. 이들 모두 당시에는 고체의 결정을 이룰 수 없다고 알려진 구조다. 준결정에 속하는 금속 합금의 종류는 점점 많아졌다. 새로운 준결정이 계속 발견되며 결국 결정학 교과서를 새로 써야 했다.
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펜로즈 타일링
펜로즈 타일링은 벽지나 실내 바닥의 타일링 도안으로 흔히 사용돼 왔다. 펜로즈 타일링 속 패턴은 1973년 영국의 과학자 로저 펜로즈(영화 인셉션 속 ‘펜로즈 계단’을 고안한 이론물리학자)가 수학적으로 증명했다. 준결정이 발견되기 10년 전의 일이다. 평면을 같은 크기의 5각형으로 채우는 것은 불가능하지만, 두 개의 다른 마름모꼴을 일정한 법칙에 따라 배열하면 그 배열이 5회 대칭구조를 나타낸다는 것이다. 배열도형 전체로 보면 각각의 마름모꼴은 불규칙하게 들어서 있어 주기성은 없다. 그러나 분명 5회 대칭구조가 보인다.
셰시트먼 교수가 발견한 준결정 구조는 이런 펜로즈 타일링의 개념을 도입해 풀 수 있다. 즉, 두 가지 다른 형태의 도형으로 공간을 채워 3차원으로 나타내면 5회의 대칭 구조가 가능하다는 것이다. 원자 배열에 주기성은 보이지 않지만 결정을 이룰 수 있다. 결정은 한 종류의 도형으로 이뤄졌다는 기존의 결정학 이론을 뛰어 넘는 것이다. 이 결정에 ‘준결정(quasicrystal)’이라는 이름을 붙였다. 결정질 물질과 비정질 물질의 중간적인 구조를 갖는다는 의미에서다.
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