열운동을 통해 일어나는 다양한 생명 현상 예측 기대

꽃가루가 물에 떠서 끊임없이 움직이는 것과 같은 불규칙한 운동을 브라운 운동 또는 열운동이라고 한다.

아인슈타인은 열운동하는 입자들의 이동 양상을 예측할 수 있는 방정식을 제시했다. 이는 입자의 크기가 크고 액체가 균일할 때는 정확했지만 여러 분자나 입자가 섞여 있는 복잡 액체에서는 맞지 않았다. 때문에 복잡 액체에서 입자 열운동을 설명하는 것은 현대 통계물리학의 난제 중 하나였다.

성재영 교수의 연구팀은 복잡한 액체 속 입자의 이동을 일관적으로 설명하기 위해 주변의 미시적 환경에 따라 운동성이 바뀌는 무작위 운동입자 모델을 제안했다.연구팀 따르면 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 정규 분포에서 벗어나는 정도는 늘어나다 다시 줄어든다. 이 현상은 아인슈타인의 브라운 운동 이론이나 그 후 등장한 많은 이론들로도 설명할 수 없었다.

연구팀은 환경에 따라 운동성이 변하는 무작위 운동입자 모델로부터 아인슈타인과 다른 새로운 수송 방정식을 얻었다. 이 방정식의 정확한 해는 세포 속 환경, 고분자 유체, 과냉각수, 이온액체 등에서 발견되는 다양한 비정규 분포 수송 현상을 정확하고 일관되게 보였다. 성재영 교수는 “통계물리학 분야의 난제인 복잡 유체 내 분자 열운동과 수송 현상을 설명할 수 있는 일반적인 방정식과 해답을 찾아냈다”며, “세포 내 효소와 생체 고분자들의 열운동을 통해 일어나는 다양한 생명 현상들을 물리화학적으로 이해하고 예측하는 데 우선 응용할 계획”이라고 전했다.