▣ 미국 휴스연구소, 가볍고 튼튼한 금속 개발

‘후’하고 불면 하얗게 날아가는 민들레 씨앗 위에 웨하스 과자같은 물질이 올라가 있다. 웨하스라 하더라도 씨앗 위에 있기 힘들 텐데 반짝반짝 빛나는 것이 금속처럼 보인다.

0.9 mg/㎤의 중량밀도를 갖는 초경량 금속 미세격자 (사진: HRL Laboratories)

UC Irvine과 미국 휴스연구소(HRL Laboratories), 캘리포니아 기술원의 연구팀이 0.9 mg/cc의 중량 밀도로 스티로폼보다 100배 정도 가벼운, 지구상에서 가장 가벼운 격자구조로 된 초경량 물질을 개발했다. 2011년 11월 18일자 Science에 발표했다.

이 새로운 물질은 독특한 ‘미세격자’ 셀 방식 구성으로 인해 경량 물질의 한계를 재정의한다.

연구팀은 먼저 자외선을 만나면 굳는 액체 물질 위에 그물망을 올려놓고 자외선을 쬐어 격자 구조의 중합체를 만들었다. 거기에 니켈-인 도금을 한 뒤 중합체를 녹여, 속이 빈 격자 구조의 금속을 완성시켰다.

연구팀은 나노미터, 마이크론, 밀리미터 크기의 고체로 전체의 0.01%를 차지하도록 설계함으로써 99.99%가 공기로 구성된 물질을 만들 수 있었다.

「인간의 머리카락보다 1000배 가량 얇은 벽을 갖는 상호 연결된 빈 튜브 격자를 형성시키는 것이 핵심」이라고 휴스연구소의 Tobias Schaedler박사는 말한다.


이 물질의 구성 요소로 인해, 무게가 1㎤에 0.9 mg에 불과한 이 물질은 위에서 꾹 누르면 찌그러들었다가 원 상태로 복구되는 성질도 갖고 있다. 스트레인의 50%를 초과하는 압축에서도 완전하게 복귀하는 성질과 엄청나게 높은 에너지를 흡수하는 성질을 포함하여 어느 금속에 대해서도 전례없는 기계적인 성질이 가능하다.


지금도 에어로겔이나 발포금속과 같은 가벼운 금속이 개발돼 단열재나 방음재로 활용되고 있기는 하지만 이들은 밀도가 낮고 성긴 구조로 이뤄져 외부의 충격에 그대로 부서지는 단점이 있었다.

치수가 나노단위까지 줄어들기 때문에 실질적으로 물질은 더 강해진다.

미세격자 구조를 재단할 수 있는 가능성과 이것을 결합시키면 독특한 셀 방식의 물질을 얻을 수 있을 것이라고 이 프로젝트에 있어서 UCI의 핵심 연구원인 Lorenzo Valdevit는 설명한다.


DARPA를 위해 개발된 이 새로운 물질은 배터리 전극와 초음파/진동/충격에너지 흡수용으로 사용될 수 있을 것이다.

● 요약


초경량(세제곱 센티미터 당 10 밀리그램 이하) 셀 방식 물질은 단열, 배터리 전극, 촉매 스포트, 초음파/진동/충격 에너지 흡수에 있어서 매우 바람직하다. 본 논문에서 우리는 주기적인 빈 튜브 미세격자에 기반한 초경량 물질을 소개한다.
자가 전파 광중합체 도파관을 원형화함으로써 형성된 템플릿으로 시작하여, 이 템플릿을 무전해 니켈도금을 입히고, 그런 다음 이 템플릿을 식각시킴으로써 이 물질을 제조했다.


생성된 금속성 미세격자는 0.9 mg/㎤ 이상의 중량밀도를 보이며, 50% 스트레인을 초과한 압축 이후에 완전하게 복원되었으며, 탄소중합체와 유사한 에너지 흡수를 보였다. 영률(Young’s modulus) E는 확률론적 구성을 갖는 초경량 에어로젤과 탄소나노튜브 폼에서 관찰된 E~ρ3과 대조적으로 E~ρ2의 밀도 분포를 갖는다.
우리는 이 성질이 나노미터와 마이크로미터, 밀리미터 크기에서의 구조적인 체계에 기인한 것이라 판단한다.


URL : http://www.physorg.com/news/2011-11-world-lightest-material.html

<출처> The Science, 2011년 11월 20일

Posted by TopARA
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