좋은 질문 감사합니다. 말씀하신 것처럼 가격, 안정성이 중요합니다. 그 외의 요인으로는 친환경성, 가공성(특히, 3D 프린터로 프린팅이 되는 재료인가?) 등을 들 수 있을 것 같습니다.

좋은 질문 감사합니다. 재료의 한계라고 하면 보통은 재료 특성의 한계로 이해를 합니다. 한정된 연료를 갖고 멀리 날아가는 로켓을 구성하는 재료의 한계를 극복하려면 밀도가 낮지만 녹는점이 높은 소재를 개발해야 합니다. 재료의 녹는점은 원자와 원자 간의 결합력이 강할수록 올라갑니다. 그런데, 결합력이 높으려면 강의에서 말씀드린 것처럼 전자구름이 큰 원자(무거운 원소)를 사용해야하고, 원자 간 거리가 짧아야합니다. 그러면, 무게가 많이 나가고 부피가 작아져서 밀도가 커지는 모순이 생깁니다. 이런 모순을 풀러면 전에 없던 구조의 소재를 설계해야하는데 이런 설계에 있어서 신소재 관상학이 큰 역할을 할 수 있습니다. 예를 들면, 복합소재(탄소나노튜브가 혹은 탄소파이버가 들어가 있는 철근 혹은 세라믹 소재)가 좋은 후보가 될 수 있고, 메타소재도 좋은 후보가 될 수 있습니다.

신소재관상학에서 사용하는 재료는 기존 재료를 모두 포함합니다. 뿐만아니라, 아직 발견되지 않은 소재도 포함시키는 것이 계획입니다.

신소재 관상학은 주로 관련 전문가들이 주도하고 있었는데요, 최근에 인공지능이 발전하고 연구자들이 인공지능을 활용하면서 급격하게 성장하고 있는 추세입니다. 관련된 뉴스 링크를 아래 첨부합니다.
https://www.lecturernews.com/news/articleView.html?idxno=155581

그리고, 앞으로는 의학영상을 통해서 병을 진단하는 것과 유사하게 소재의 구조를 보고 그 구조의 수명 그리고 개선 방향을 도출할 수 있는 방향으로 발전할 것 같습니다.

현재는 배터리와 메모리 소재에 사용되고 있고, 앞으로 우주/항공 소재, 건축/토목 소재, 자동차/선박 소재, 그리고 바이오/환경 소재에 적용될 것으로 예상됩니다. 실생활에서는 마스크의 구조를 현미경으로 보고 구멍 크기를 확인하면 이 마스크가 진짜 KF94인지 검증할 수 있을 것 같습니다.

좋은 질문 감사합니다. 현재로서 원자가 아닌 물질 중에서는 dark matter(암흑물질, https://ko.wikipedia.org/wiki/암흑물질)이 있습니다. 이 부분은 제 전공이 아니라서 암흑물질에 대한 문의는 카이스트 물리학과의 야니스 교수님게 문의하는 것도 방법이 될 것 같습니다. 우선 원자 내에서만 본다면 양성자, 중성자 그리고 전자가 있는데, 이를 각각 제어하는 것은 현재로서는 매우 도전적이 될 것 같습니다. 우선 전자를 볼 수 있는 방법이 현재로서는 없고, 양성자와 중성자를 떼어내려면 엄청난 에너지가 들어가는데 이를 견딜만한 소재 혹은 이를 제어할 수 있는 장치가 현재로서는 없기 때문입니다. 하지만, 미래의 질문자가 과학자 혹은 공학자가 된다면 이를 풀 수 있을 수도 있다는 생각을 해봅니다.

그림 출처: https://en.wikipedia.org/wiki/IBM_%28atoms%29

위 그림은 IBM이 오래전에 STM이라는 현미경을 사용해서 Xe 원자를 배열한 그림입니다. 밀도 측면에서 원자 하나가 정보의 한 단위로 작동을 하면 스마트 카드에 약 100 TB가 저장될 수 있습니다. 다만, 이렇게 저장된 정보를 빠르고 정확하게 기록하고 읽는 것이 도전적인 과제가 될 것으로 생각됩니다.

신소재 관상학은 요리에도 적용할 수 있을 것 같습니다. 라면의 예를 들겠습니다. 라면의 식감은 라면면발이 부서지는 즉 기계적으로 파괴되는 거동동과 관련이 있고, 이는 면의 단면구조(빈 공간이 얼마나 있는지, 면을 이루는 밀가루 입자의 크기 등)에 영향을 받을 것입니다. 쫄깃쫄깃하게 파괴될 수도 있고 벽돌처럼 급작스럽게 파괴될 수도 있습니다.

구조가 같아도 그 구조를 이루는 원소가 다르면 성질이 다릅니다. 예를 들어, 금과 은은 모두 면심입방(face centered cubic, fcc) 구조를 갖고 잇지만, 밀도 및 열전도도와 같은 물성이 다릅니다. 이는 원자핵 내 양성자 수 그리고 전자 구름의 크기 및 양자수의 차이에 기인한다고 볼 수 있습니다.

좋은 질문 감사합니다. 결론부터 말씀드리면 가능합니다. 신소재 관상학을 통해서 먼저 필요한 소재의 물성으로부터 이를 구현할 수 있는 구조 후보들을 추출합니다. 이 구조 후보들 중에서 현재의 3d 프린터 기술로 제작이 가능한 구조를 선정해서 프린팅하면 원스톱으로 소재 디자인에서 제작까지 가능한 시대가 올 것으로 생각합니다.

AI가 소재의 관상을 보고 운명을 예측하는 시대가 올 것 같습니다. 실제로 AI가 배터리 소재의 입자 형상을 보고 구성 원소의 배합 그리고 충방전된 상태를 예측하는 논문이 최근에 발표되었습니다 (https://www.nature.com/articles/s41524-024-01279-6).

좋은 질문 감사합니다. 양자효과를 활용하는 소자 중에서는 낸드플래쉬가 있습니다. 정보를 기록할 때 전자에 전기장을 가해서 전자가 산화물의 에너지 장벽을 터널링해서 산화물과 질화물 계면에 저장을 합니다. 광학 장치, 특히 QLED TV에 사용되는 InP 나노입자는 양자효과를 활용해서 다양한 색을 발현하기도 합니다. 따라서, 말씀하신 나노스케일에서의 양자효과는 이미 산업체서 활발하게 잘 활용하고 있습니다.

네 맞습니다. 전자 구름이 외부 압력이나 전기장에 의해서 변형이 되면 유전율과 같은 특성이 변합니다. 금속의 경우에는 기계적 강도가 변하기도 합니다. 아인슈타인이 했던 실험에서 광을 쪼여서 전자구름 내에 있는 전자를 방출시키면 전자구름 내의 상호작용이 달라지고 원자는 이온화되어서 화학적 특성도 달라질 수 있습니다.

1. 실제 상황에서는 이보다 훨씬 많은 종류의 기준들, 그리고 복합적으로 연결되는 경우의 수들로 그 특징과 사용처를 판별할 것 같은데,
이에 대해 인공지능을 이용할 가능성이 있을까요? 딥변: 네 , 인공지능을 활용해서 구조와 밀도를 예측하는 연구가 진행되고 있습니다.

2. 다양한 조건들과 그 조합에 따라 달라지는 결과가 나온다는 해당 주제의 문제 환경이 인공지능의 학습 및 활용에 굉장히 적합하게 활용될 수 있을 것 같다는 궁금증이 들었습니다. 혹시 이와 같은 사례가 이미 있는지, 혹시 없다면 관련한 논의 등이 이루어진 적이 있는지 궁금합니다.

답변: 네, 현재 이런 연구가 활발하게 진행되고 있습니다. 하나의 사례로, 배터리 양극재의 합성방법, 양극재 소재의 구조 및 조성 그리고 측정조건 등의 변수와 양극재의 에너지 밀도 간의 상관관계를 인공지능으로 알아내고, 이를 바탕으로 높은 에너지 밀도를 갖는 양극재를 개발하기 위해 공정 레시피를 역설계하는 연구가 진행 중에 있습니다. 다음 논문을 참조하시면 좋을 것 같습니다 (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285522002956).

좋은 질문 감사합니다. 신소재관상학에서는 모든 재료들을 다룹니다. 특정 기구, 기계, 장치, 구조물 혹은 소자에 필요한 재료를 선정할 때 필요한 스펙들이 있습니다. 예를 들어, 항공 및 우주 소재에서는 우주 환경에 있는 유해한 단원자 산소이온, 고에너지 방사선에 노출되어도 구조를 유지할 수 있는 원자간 결합력이 요구됩니다. 화장품 소재는 몸에 유해하지 않으면서 원하는 색을 발현하고 땀에 녹지 않으면서 세안을 할 때에는 깨끗하게 씻겨져야 하는 물성을 가져야 합니다. 이런 특성을 갖기 위해서 원자와 분자들이 어떤 형태로 공간 상에서 배열되어야 하는지 고민하고 설계해야 합니다. 건축물에 들어가는 건축소재 역시 친환경적이고, 에너지 비용을 줄일 수 있고, 지진에 견딜 수 있는 재료를 필요로 하고 있고, 이런 특성을 만족시키기 위해서 재료를 구성하는 입자들의 크기, 모양 그리고 구성 원소의 배열이 매우 중요합니다.