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중앙대 성재영·김지현 교수, 분자 수송방정식 발견

2019-06-13기사 편집 2019-06-13 13:17:04

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국내연구진이 세포 내 환경, 이온액체 등 복잡액체 속 분자·입자 운동 현상을 설명하는 데 성공했다.

꽃가루가 물에 떠서 끊임없이 움직이는 것과 같은 불규칙한 운동을 브라운 운동 또는 열운동이라고 한다. 이 열운동 양상을 설명하기 위해 과거 아인슈타인이 제시했던 방정식은 입자가 크고 액체가 균일할 때는 정확했지만 여러 분자나 입자가 섞여 있는 복잡 액체에서는 맞지 않았다. 입자들은 짧은 시간 동안 관성운동을 하지만 곧 매우 느리게 아확산운동과 확산운동을 차례로 한다. 또 시간에 따라 입자의 이동거리가 정규분포에서 벗어나는 정도도 늘어나다가 다시 줄어든다. 이 현상은 아인슈타인의 브라운 운동 이론이나 이후 등장한 이론들로도 설명할 수 없었다.

13일 한국연구재단에 따르면 중앙대학교 성재영·김지현 교수가 세포환경과 같은 복잡 액체에서도 성립하는 분자 수송방정식을 발견했다.

연구팀은 복잡한 액체 속 입자의 이동을 일관적으로 설명하기 위해 주변의 미시적 환경에 따라 운동성이 바뀌는 무작위 운동입자 모델을 제안했다. 환경에 따라 운동성이 변하는 무작위 운동입자 모델로부터 아인슈타인과 다른 새로운 수송 방정식을 얻었다. 또 이 방정식의 정확한 해가 세포 속 환경, 고분자 유체, 과냉각수, 이온액체 등에서 발견되는 다양한 비정규분포 수송 현상을 정확하고 일관되게 설명하는 것을 규명했다.

성재영 교수는 "연구를 통해 통계물리학의 난제였던 복잡 유체 내 분자 열운동·수송 현상을 설명할 수 있는 일반적 방정식과 해를 찾아냈다"며 "세포 내 효소와 생체 고분자들의 열운동을 통해 일어나는 다양한 생명 현상들을 물리화학적으로 이해하고 예측하는 데 응용할 계획이다"고 말했다.

연구 성과는 국제학술지 '미국국립학술원회보(PNAS)'에 6월 11일 게재됐다.

주재현 기자



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첨부사진2<그림1>기존 무작위 운동입자 모델과 새롭게 제시한 역동적 연속시간 무작위 운동입자 모델.

첨부사진3<그림2>역동적 연속시간 무작위 운동입자 모델을 통해 이루어진 복잡한 유체 내 입자의 움직임을 기술하는 다양한 물리량들의 정량적인 설명.

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