강철보다 두 배 단단, 가볍고 초박형인 새로운 유형의 수퍼 폴리머 개발돼
- 기술 / 편집국 기자 / 2022-02-07 17:12:20
3'20" 읽기
- 2차원 분자 배열로 재료에 특별한 특성 부여
- 초박형 폴리머 필름은 자동차 부품이나 휴대폰에 보호 코팅을 제공하는 데 사용
- 교량이나 기타 구조물의 건축 자재로도 활용 가능
신소재는 구조물을 보다 안정적이고 동시에 가볍게 만들거나 재료와 에너지를 절약하는 데 도움이 될 수 있다. 이러한 "수퍼 재료"에 의해 완전히 새로운 응용도 가능하다. 그들의 특별한 특성의 비밀은 일반적으로 분자 구조에 있다. 특히, 그래핀 및 유사한 단층 격자 인터커넥트와 같은 2차원 재료는 3차원 변형과 상당히 다른 기능을 보여준다.
2차원 폴리머가 가능할까?
폴리머의 경우에도 과학자들은 2차원 형태에서 훨씬 더 유리한 기계적 특성을 나타낼 수 있다고 한동안 의심해 왔다. 이러한 단일 플라이 플라스틱 재료는 일반 플라스틱의 낮은 밀도 및 제조 용이성과 함께 증가된 강도 및 강성을 결합할 수 있다. 그러나 지금까지 이러한 2차원 고분자 필름을 생산하는 것은 불가능했다.
문제:
일반적으로 폴리머는 기본 구성 요소를 결합하고 자체적으로 서로 가교 결합하는 조건을 만들어 형성된다. 그러나 이로 인해 이러한 결합이 어떤 정렬을 갖는지 제어하기가 어렵다.
MIT(Massachusetts Institute of Technology)의 Yuwen Zeng과 동료들은 "중합 디스크에서 하나의 결합 팔이 평면 밖으로 튀어나오자마자 3D 구조가 원하는 2차원 평면보다 빠르게 성장할 것이다"고 설명했다.
수십 년간의 시도에도 불구하고 이러한 2차원 고분자를 생산하는 것은 불가능했다.
따라서 일부 연구자들은 2차원 고분자 층이 전혀 생성될 수 없다고 생각하기도 했다.
두 가지 방향으로만 성장
Zeng와 그의 동료들은 이제 이 "불가능한" 위업을 달성했다. 이것은 결합의 평면 배열을 선호하는 2D 폴리머에 대해 두 가지 기본 빌딩 블록을 선택했기 때문에 가능했다. "우리의 가설은 강한 아미드-방향족 접합이 면외 결합 회전을 억제한다는 것이었다"고 팀이 설명했다. 이것이 의미하는 바는 작용기 NH2와 비편재화된 이중 결합으로 구성된 탄화수소 고리 사이의 결합이다.
이러한 조건을 충족시키기 위해 화학자들은 피리딘과 질소 함유 고리 분자 멜라민을 출발 물질로 사용했다. 이들은 측면으로만 성장하는 단일 층을 형성하는 방식으로 서로 반응합니다. "이 과정은 용액에서 자발적으로 발생하므로 분자가 2차원적으로 정렬된 시트형 폴리머 필름을 생성할 수 있다"고 MIT의 Michael Strano가 설명했다. 이러한 2차원 네트워크는 수소 결합을 통해 서로 느슨하게 연결되어 다층 필름을 형성할 수 있다.
방탄 유리보다 강하다.
중요한 문제는 2D 폴리머로 만든 이러한 필름이 원하는 특성을 가지고 있는지 여부다. 연구팀은 이를 실기시험에서 확인했다. 그리고 실제로 원자력 현미경의 끝으로 2DPA-1 재료를 찌그러뜨리려면 12.7기가파스칼 이상의 압력이 필요하다. 이는 방탄유리보다 4~6배 더 좋다.
재료의 굴곡 강도는 훨씬 더 크다.
“2DPA-1은 488메가파스칼의 항복 강도를 보였다. 밀도는 1/6에 불과하지만 구조용 강철의 거의 두 배다”고 물리학자들은 보고했다. 또 다른 것이 있다. 2D 폴리머가 단일층으로 구성돼 분명히 "구멍이 있는" 분자 네트워크이지만 가스나 물은 투과할 수 없다.
다양한 응용 가능
연구팀에 따르면 폴리머에서는 보기 드문 이러한 특성은 완전히 새로운 응용 분야를 개척할 수 있다고 한다. "일반적으로 플라스틱을 건물을 지지하는 데 사용할 수 있는 것으로 생각하지 않는다"고 Strano는 말했다. "이 재료로 완전히 새로운 것이 가능하다." 초박형 폴리머 필름은 자동차 부품이나 휴대폰에 보호 코팅을 제공하는 데 사용될 수 있다. 이 재료는 교량이나 기타 구조물의 건축 자재로도 사용될 수 있다.
팀 보고에 따르면 이 새로운 2D 폴리머의 생산도 대규모로 가능하다.
올바른 조건에서 분자는 실제로 함께 모여 단일층 네트워크를 형성한다. "따라서 우리는 매우 강하지만 매우 얇은 물질로 쉽게 만들 수 있는 평면 분자를 가지고 있다"고 Strano가 말했다. (Nature, 2022; doi: 10.1038/s41586-021-04296-3)
출처: MIT
- 2차원 분자 배열로 재료에 특별한 특성 부여
- 초박형 폴리머 필름은 자동차 부품이나 휴대폰에 보호 코팅을 제공하는 데 사용
- 교량이나 기타 구조물의 건축 자재로도 활용 가능
강철보다 강한 '슈퍼폴리머'
2차원 분자 배열로 재료에 특별한 특성 부여
화학자들은 강철보다 두 배는 단단하지만 가볍고 초박형인 새로운 유형의 "수퍼 폴리머"를 만들었다. 이것은 이 유기 물질의 기본 구성요소가 단 하나의 분자 층 두께인 2차원 네트워크를 형성하기 때문에 가능하다. 이것은 2D 폴리머에 특이한 특성을 부여한다. 그들은 그것을 새로운 건축 자재로 만들 수 있을 뿐만 아니라 안정적이고 조밀하며 극도로 얇은 코팅을 가능하게 한다.
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| ▲ 이 작은 디스크는 강철보다 단단하고 방탄 유리보다 강한 2차원 폴리머로 만들어졌다. © Strano et al., Christine Daniloff/MIT |
초강력 폼, 형태 변경 금속 또는 파괴되지 않는 젤:
신소재는 구조물을 보다 안정적이고 동시에 가볍게 만들거나 재료와 에너지를 절약하는 데 도움이 될 수 있다. 이러한 "수퍼 재료"에 의해 완전히 새로운 응용도 가능하다. 그들의 특별한 특성의 비밀은 일반적으로 분자 구조에 있다. 특히, 그래핀 및 유사한 단층 격자 인터커넥트와 같은 2차원 재료는 3차원 변형과 상당히 다른 기능을 보여준다.
2차원 폴리머가 가능할까?
폴리머의 경우에도 과학자들은 2차원 형태에서 훨씬 더 유리한 기계적 특성을 나타낼 수 있다고 한동안 의심해 왔다. 이러한 단일 플라이 플라스틱 재료는 일반 플라스틱의 낮은 밀도 및 제조 용이성과 함께 증가된 강도 및 강성을 결합할 수 있다. 그러나 지금까지 이러한 2차원 고분자 필름을 생산하는 것은 불가능했다.
문제:
일반적으로 폴리머는 기본 구성 요소를 결합하고 자체적으로 서로 가교 결합하는 조건을 만들어 형성된다. 그러나 이로 인해 이러한 결합이 어떤 정렬을 갖는지 제어하기가 어렵다.
MIT(Massachusetts Institute of Technology)의 Yuwen Zeng과 동료들은 "중합 디스크에서 하나의 결합 팔이 평면 밖으로 튀어나오자마자 3D 구조가 원하는 2차원 평면보다 빠르게 성장할 것이다"고 설명했다.
수십 년간의 시도에도 불구하고 이러한 2차원 고분자를 생산하는 것은 불가능했다.
따라서 일부 연구자들은 2차원 고분자 층이 전혀 생성될 수 없다고 생각하기도 했다.
두 가지 방향으로만 성장
Zeng와 그의 동료들은 이제 이 "불가능한" 위업을 달성했다. 이것은 결합의 평면 배열을 선호하는 2D 폴리머에 대해 두 가지 기본 빌딩 블록을 선택했기 때문에 가능했다. "우리의 가설은 강한 아미드-방향족 접합이 면외 결합 회전을 억제한다는 것이었다"고 팀이 설명했다. 이것이 의미하는 바는 작용기 NH2와 비편재화된 이중 결합으로 구성된 탄화수소 고리 사이의 결합이다.
이러한 조건을 충족시키기 위해 화학자들은 피리딘과 질소 함유 고리 분자 멜라민을 출발 물질로 사용했다. 이들은 측면으로만 성장하는 단일 층을 형성하는 방식으로 서로 반응합니다. "이 과정은 용액에서 자발적으로 발생하므로 분자가 2차원적으로 정렬된 시트형 폴리머 필름을 생성할 수 있다"고 MIT의 Michael Strano가 설명했다. 이러한 2차원 네트워크는 수소 결합을 통해 서로 느슨하게 연결되어 다층 필름을 형성할 수 있다.
방탄 유리보다 강하다.
중요한 문제는 2D 폴리머로 만든 이러한 필름이 원하는 특성을 가지고 있는지 여부다. 연구팀은 이를 실기시험에서 확인했다. 그리고 실제로 원자력 현미경의 끝으로 2DPA-1 재료를 찌그러뜨리려면 12.7기가파스칼 이상의 압력이 필요하다. 이는 방탄유리보다 4~6배 더 좋다.
재료의 굴곡 강도는 훨씬 더 크다.
“2DPA-1은 488메가파스칼의 항복 강도를 보였다. 밀도는 1/6에 불과하지만 구조용 강철의 거의 두 배다”고 물리학자들은 보고했다. 또 다른 것이 있다. 2D 폴리머가 단일층으로 구성돼 분명히 "구멍이 있는" 분자 네트워크이지만 가스나 물은 투과할 수 없다.
다양한 응용 가능
연구팀에 따르면 폴리머에서는 보기 드문 이러한 특성은 완전히 새로운 응용 분야를 개척할 수 있다고 한다. "일반적으로 플라스틱을 건물을 지지하는 데 사용할 수 있는 것으로 생각하지 않는다"고 Strano는 말했다. "이 재료로 완전히 새로운 것이 가능하다." 초박형 폴리머 필름은 자동차 부품이나 휴대폰에 보호 코팅을 제공하는 데 사용될 수 있다. 이 재료는 교량이나 기타 구조물의 건축 자재로도 사용될 수 있다.
팀 보고에 따르면 이 새로운 2D 폴리머의 생산도 대규모로 가능하다.
올바른 조건에서 분자는 실제로 함께 모여 단일층 네트워크를 형성한다. "따라서 우리는 매우 강하지만 매우 얇은 물질로 쉽게 만들 수 있는 평면 분자를 가지고 있다"고 Strano가 말했다. (Nature, 2022; doi: 10.1038/s41586-021-04296-3)
출처: MIT
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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