▣ 매우 간단하면서도 편리하고, 또한 환경친화적인 기술

그라핀에 대한 광범위한 연구가 진행 중이며 그라핀은 이제 광전자공학, 에너지 저장, 폴리머 복합체, 촉매 등과 다양한 분야에 폭넓게 적용될 수 있는 매우 중요한 소재로 주목을 받고 있다. 이러한 응용분야에서 그라핀이 기존의 소재를 대체할 수 있는 우수한 특성을 가지기 위해서는 그라핀의 구조적인 재료설계가 전략적으로 매우 중요한 부분을 차지한다.


지금까지 그라핀의 2차원적인 자기 조립은 기초과학자들에 의해 폭 넓게 진행되고 있으며, 이제 3차원적인 구조를 가진 그라핀 제조와 이를 상업적으로 이용하려는 연구가 막 진행되고 있다. 그러나 3차원적인 그라핀의 제조에는 아직 해결해야만 하는 많은 도전과제들이 남아 있다. 이번에 중국의 한 연구진에 의해 한 단계의 수열합성법을 통해 3차원적인 구조를 가지는 그라핀 수화젤을 효과적으로 만들 수 있는 방법이 개발되었다.


이번에 개발된 3차원 구조의 그라핀 소재는 기계적으로 매우 강한 특성과 전기적으로 뛰어난 전도성을 가지고 있으며 또한 안정적인 특성을 보여주고 있다. 연구팀은 그라파이트를 강한 산화제로 처리하여 얻어진 탄소, 산소, 수소의 화합물의 그라핀 산화물을 수열합성법을 이용하여 그라핀 수화젤을 만들었다. 중국 베이징에 있는 청화대학 화학과 Gaoquan Shi교수는 이번 기술은 “매우 간단하면서도 편리하고, 또한 환경친화적인 기술”이라고 밝혔다.


이번 연구결과는 ACS Nano 인터넷 판에 "Self-Assembled Graphene Hydrogel via a One-Step Hydrothermal Process"라는 제목으로 발표되었다. Shi교수 연구팀은 간단하면서 편리한 한 단계의 공정으로, 자가 배열된 2차원의 그라핀 막을 3차원의 구조체로 만드는 기법과 이렇게 얻어진 구조체의 여러 우수한 특성을 논문을 통해 자세히 소개하고 있다.


물리적 수화젤은 일반적으로 기계적으로 약하고, 열적으로는 불안정하며, 또한 전기적으로는 절연체의 특성을 보인다. 연구팀은 물에 분산시킨 그라핀 산화물이 물속에서 한 단계의 수열합성공정을 통해 환원작용이 발생하여 우수한 특성을 보이는 그라핀 수화젤로 변화될 수 있다는 것을 실험적으로 증명하였다.


무게적으로 2.6% 그라핀 시트와 97.4%의 물로 구성된 그라핀 수화젤의 면 저항 값은0.005 S//cm로 매우 낮은 값을 보이고 있다. 더욱이 열적으로는 25-100°C 온도 범위에서 안정된 특성을 보이고 있으며 저장탄성율(storage modulus)은 종래의 수화젤보다 훨씬 높은 450-490 kPa의 값을 나타내고 있다. 이러한 수화젤은 수용성 전해질에서 높은 비용량(175 F/g)을 가진 3차원의 슈퍼 커패시터 전극 소재의 특성을 보인다.


이번 실험을 기초하여 연구진들은 자기 배열된 그라핀 수화젤의 형성과정에 대한 메커니즘을 제안하고 있다. 환원과정이 일어나기 전에는 산화 그라핀 시트는 물속에 무작위적으로 분산되어 있는 상태이며 이는 그라핀 시트의 강한 친수성의 특성과 정전기적 반발 효과에 기인한 것이다. 산화 그라핀 시트가 수열합성에 의해 환원될 때, 그라핀 시트는 부분적으로 소수성으로 그 성질이 변하게 된다. 이는 회복된 공중합체 도메인과 약화된 산화기능에 의한 것으로 여겨진다. 소수성과 파이-파이 상호작용(π-π interactions)에 의해 결국 그라핀 시트는 3차원의 구조체가 된다.


탄소 소재는 기본적으로 생체 적합성을 내재하고 있으며 또한 이러한 소재의 뛰어난 기계적, 전기적, 열적 특성은 약물 전달이나 조직공학용 스캐폴드(tissue scaffolds), 고성능 나노복합체와 슈퍼커패시터와 같은 다양한 분야에서 그라핀 수화젤을 매우 매력적인 소재로 주목을 받게 한다.


더욱이 Shi교수팀이 개발한 기법은 매우 간단하면서도 친 환경적인 기법이며 다양한 나노복합체의 제조에도 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 개발은 2차원 분자들의 빌딩 블록으로서 기능화된 그라핀의 자기 조립 배열의 거동에 대한 이해의 수준을 한 단계 올리는 계기가 되며, 또한 그라핀을 기반으로 하는 계층적이고 구조적인 새로운 재료 설계에 대한 영감을 불어넣을 것으로 평가되고 있다.


그림. (a) 180°C에서 12시간 동안 수열 환원반응 거친 그라핀 산화물의 전, 후 사진 (b) 다루기 쉽고, 고 중량 지지가 가능한 그라핀 수화젤을 나타내고 있다. (c-e) 배율을 달리하여 측정한 그라핀 수화젤의 전자현미경 사진 (f) 실온에서 측정된 그라핀 수화젤의 전류-전압 특성에 대한 그래프


URL : http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=17031.php

<출처> NDSL, 2010-07-13

Posted by TopARA

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