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MIT 엔지니어들이 발명한 존재 불가능한 신 물질

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by myplantous 2022. 2. 4. 18:36

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금속보다 강하지만 플라스틱처럼 가볍다

최근 과학 저널에는 MIT 엔지니어들이 개발한 2차원 물질 중합을 이용한 신물질 개발에 대한 논문이 발표되어 세계적인 관심을 끌었습니다. 이 신물질은 놀랍게도 금속보다 강하지만 플라스틱처럼 가벼워 다양한 산업 분야에 활용될 것으로 기대되는데요, 자세한 사항을 알아보겠습니다.

polymer film
그동안 불가능한 물질이라 여겨져 온 자동 조립식 2차원 고분자 화합물

 

출처: MIT News

최근 MIT 화학 엔지니어들은 중합 공정이라는 신기술을 이용하여 금속보다 강하면서 플라스틱만큼 가볍고 대량 생산이 가능한 신물질을 개발했습니다. 이 신물질은 2차원 고분자 화합물(중합체)로, 스파게티 같은 체인으로 이루어진 1차원 화합물과는 달리 2차원의 자동 조립식 시트를 형성합니다. 지금까지 과학자들은 2D 시트를 형성하는 고분자 화합물은 불가능하다고 생각해 왔습니다.

이런 물질은 가볍고 내구성이 강해야 하는 자동차 부품이나 휴대폰의 코팅에 사용될 수 있을 뿐 아니라, 다리나 혹은 다른 구조물의 건축 재료로 사용될 수도 있습니다. MIT 케미컬 엔지니어링 교수인 마이클 스트라노(Michael Strano)는 아래와 같이 말했습니다. 

우리는 보통 건물을 지탱하는 구조물로 플라스틱을 쓰지 않습니다. 가볍지만 내구성이 약하기 때문인데요, 그러나 이 신물질은 우리의 고정관념을 완전히 바꾸어 놓을 것입니다. 우리 연구진들은 이 신물질의 활용에 기대하는 바가 아주 큽니다.

연구진들은 이 물질을 생산하는 데 사용된 공법을 2가지 특허로 출원 신청해 놓은 상태이며 지난 2월 2일 세계적인 과학 전문지인 네이처에 이에 대한 논문을 발표했습니다.

 

2차원의 판에 구현된 고분자 화합물

고분자 화합물(중합체)이란 플라스틱을 포함한 '단량체'라고 불리는 구성 물질의 연속적인 묶음입니다. 이 체인 형태의 묶음은 끝에 새로운 분자를 추가함으로써 몸집을 키워나가는데요, 이런 고분자 화합물이 형성되면 사출 성형을 통하여 물병과 같은 3차원 물질이 됩니다. 

과학자들은 이 고분자 화합물이 2차원의 시트 안에서 형성된다면 극도로 강하면서도 가벼운 물질을 만들어낼 수 있을 것이라고 오랫동안 생각해 왔습니다. 그러나 수십여 년의 연구에도 불구하고 고분자 화합물을 2차원 시트에 형성하는 것은 불가능하다는 결론을 내렸는데요, 그 이유는 우선 하나의 단량체가 2차원 시트 안에서 위아래로 움직이기 시작하면 3차원 물질로 변하게 되므로 2차원의 시트 구조가 깨진다는 점이었습니다. 

그러나 최근 연구에서 마이클 스트라노 교수와 그의 동료들은 '폴리아라미드(polyaramide)'라는 2차원의 시트를 생성해주는 새로운 중합 기술을 개발했습니다. 단량체로 된 구성 요소들은 탄소와 질소 원자 고리를 가진 멜라민이라는 화합물을 사용하는데요, 적절한 상태가 되면 이 단량체들은 2차원으로 자라서 디스크를 형성합니다. 이 디스크들이 서로 쌓이면서 각 층 사이사이에 있는 수소 원자에 의해 강력하게 결합되어 아주 강하고 안정성 있는 구조를 만들게 됩니다. 

스파게티 같은 분자를 만드는 것 대신에 우리는 분자로 이루어진 2차원 시트를 만든 것입니다. 그 시트 안에서 분자들이 서로 2차원으로 결집되고 용해되는데요, 이 물질을 합성하여 마침내 놀라울 정도로 강한 얇은 필름 같은 코팅 기술을 얻게 된 것입니다.

이렇게 용액 상태로 자동 조립되는 물질 덕분에 단순히 초기 물질의 양을 늘리는 것만으로 대량 생산이 가능하게 되었습니다. 연구진들은 2 DPA-1라고 부르는 공법으로 물질의 외면을 이 신물질로 코팅하는 것을 시연했습니다.

이 신물질 개발로 우리는 아주 강하지만 극도로 얇은 평면 분자 구조를 가지게 되었습니다. 이것으로 다양한 방면에 활용할 수 있을 것입니다.

 

가볍지만 강하다

New Material That Is Stronger Than Steel and As Light as Plastic
금속보다 강하지만 플라스틱처럼 가벼운 신물질은 휴대폰이나 차량 부품등의 내구성을 높여준다.

 

연구진들은 이 신물질의 탄성률(물질을 변형시키는데 들어가는 힘의 정도)이  방탄유리보다 4~6배 정도 높다는 것을 발견했습니다. 또한 항복 강도(물질을 부러뜨리는데 들어가는 힘의 정도)는 금속의 2배였습니다. 반면 밀도는 금속의 6분의 1에 불과했습니다.

시카고 대학의 분자공학 학과장인 매튜 티렐(Matthew Tirrell)은 이 신기술이 2D 고분자 화합물 결합체를 만드는 아주 창의적인 화학을 담고 있다고 평하면서 아래와 같이 덧붙였습니다.

이 고분자 화합물의 아주 중요한 측면은 용액 형태로 아주 용이하게 처리 가능하다는 점입니다. 이것은 새로운 합성물이나 배리어재(확산 방지 물질)와 같이 강도대 중량 비율이 중요한 수많은 물질들에 적용이 가능하다는 의미입니다. 

이 신물질의 또 다른 중요한 점은 가스가 통과할 수 없다는 점입니다. 다른 고분자 화합물질들은 코일로 된 체인 형태이기 때문에 가스가 통과할 수 있는 틈이 있는 반면, 이 신물질은 레고처럼 서로 딱 맞게 고정되는 단일체로 만들어져 있기 때문에 분자들 사이의 틈이 없어 완전한 불투과성 물질입니다.

이것은 우리가 물이나 가스가 통과할 수 없는 초박형 코팅을 만들 수 있게 해 줍니다. 이런 종류의 배리어 코팅은 차량이나 건물의 금속을 보호하는 데 사용될 수 있습니다.

이 신기술을 개발한 MIT 연구진들은 현재 이 특별한 고분자 화합물을 2D 시트로 만드는 세부 사항을 연구 중이며, 이 외에도 다른 종류의 신물질 개발을 위해 분자 구조를 변형하는 실험을 계속하고 있습니다.

 

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