이 새로운 소재는 멜라민 으로 만들어진 2차원 고분자로 , 기존의 모든 고분자가 스파게티처럼 얽힌 1차원 사슬 구조를 형성하는 것과는 달리 스스로 시트 형태로 조립됩니다. 지금까지 과학자들은 고분자가 2차원 시트 구조를 형성하도록 유도하는 것은 불가능하다고 여겨왔습니다.
MIT 화학공학과 Carbon P. Dubbs 교수이자 이번 연구의 수석 저자인 마이클 스트라노는 이러한 소재는 자동차 부품이나 휴대전화의 가볍고 내구성 있는 코팅이나 교량이나 기타 구조물의 건축 자재로 사용될 수 있다고 말했습니다.
"우리는 플라스틱을 건물을 지탱하는 데 사용할 수 있는 소재로 생각하지 않습니다. 하지만 이 소재를 사용하면 새로운 것을 만들 수 있습니다."라고 그는 말합니다. "매우 독특한 특성을 가지고 있어서 정말 기대됩니다."
연구진은 해당 물질을 생성하는 데 사용한 공정에 대한 두 건의 특허를 출원했으며, 이 공정에 대한 내용은 오늘 네이처(Nature) 지에 게재된 논문에 자세히 설명되어 있습니다 . MIT 박사후 연구원인 유웬 쩡(Yuwen Zeng)이 이 연구의 주 저자입니다.
XNUMX차원
모든 플라스틱을 포함하는 폴리머는 단량체라는 구성 요소의 사슬로 구성됩니다. 이 사슬은 끝에 새로운 분자가 추가되면서 성장합니다. 일단 형성된 폴리머는 사출 성형을 통해 물병과 같은 3차원 물체로 성형될 수 있습니다.
고분자 과학자들은 오랫동안 고분자가 2차원 시트로 성장하도록 유도될 수 있다면 매우 강하고 가벼운 소재를 형성할 것이라는 가설을 세워 왔습니다. 그러나 이 분야에서 수십 년간의 연구 끝에 그러한 시트를 만드는 것은 불가능하다는 결론에 도달했습니다. 그 이유 중 하나는 성장하는 시트 평면에서 단 하나의 단량체만 위아래로 회전하면 소재가 3차원으로 팽창하기 시작하여 시트와 같은 구조가 사라지기 때문입니다.
그러나 새로운 연구에서 스트라노와 그의 동료들은 폴리아라미드라는 2차원 시트를 생성할 수 있는 새로운 중합 공정을 개발했습니다. 단량체 구성 요소로는 탄소와 질소 원자로 이루어진 고리를 포함하는 멜라민이라는 화합물을 사용합니다. 적절한 조건 하에서 이러한 단량체는 2차원으로 성장하여 디스크를 형성할 수 있습니다. 이 디스크들은 층층이 쌓이고 층 사이의 수소 결합으로 연결되어 매우 안정적이고 강한 구조를 형성합니다.
"스파게티 같은 분자를 만드는 대신, 분자들이 2차원으로 서로 연결되는 시트 같은 분자 평면을 만들 수 있습니다."라고 스트라노는 말합니다. "이 메커니즘은 용액에서 자발적으로 발생하며, 재료를 합성한 후에는 매우 강한 박막을 쉽게 스핀 코팅할 수 있습니다."
이 물질은 용액 내에서 자가조립되기 때문에, 단순히 원료의 양을 늘리는 것만으로도 대량 생산이 가능합니다. 연구진은 2DPA-1이라고 명명한 이 물질로 표면을 코팅할 수 있음을 보였습니다.
스트라노는 "이러한 발전을 통해 우리는 매우 강하면서도 극도로 얇은 소재로 만들기가 훨씬 쉬운 평면 분자를 얻을 수 있게 되었습니다."라고 말했습니다.
가볍지 만 강하다
연구진은 이 신소재의 탄성 계수(재료를 변형하는 데 필요한 힘의 척도)가 방탄 유리보다 4배에서 6배 더 높다는 것을 발견했습니다. 또한, 이 소재의 항복 강도, 즉 재료를 파괴하는 데 필요한 힘은 강철의 두 배라는 것을 발견했는데, 이 소재의 밀도는 강철의 약 6분의 1에 불과합니다.
2DPA-1의 또 다른 주요 특징은 기체 불투과성입니다. 다른 폴리머는 기체가 스며들 수 있는 틈이 있는 나선형 사슬로 만들어지는 반면, 이 새로운 소재는 레고처럼 서로 결합된 단량체로 만들어져 분자가 그 사이로 들어갈 수 없습니다.
"이를 통해 물이나 가스의 침투를 완벽하게 차단하는 초박형 코팅을 만들 수 있습니다."라고 스트라노는 말합니다. "이러한 종류의 차단 코팅은 자동차 및 기타 차량의 금속이나 철 구조물을 보호하는 데 사용될 수 있습니다."
스트라노와 그의 학생들은 현재 이 특정 폴리머가 어떻게 2D 시트를 형성하는지 더 자세히 연구하고 있으며, 다른 유형의 새로운 재료를 만들기 위해 분자 구성을 변경하는 실험을 하고 있습니다.
이 연구는 미국 에너지부 과학국이 후원하는 에너지 프런티어 연구 센터인 CENT(향상된 나노유체 수송 센터)와 육군 연구소의 자금 지원을 받았습니다.
새로운 경량 소재가 강철보다 강하다: 이 신소재는 불가능하다고 여겨졌던 기술, 즉 2차원 중합을 통해 탄생했다 — ScienceDaily
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