부서지지 않는 세라믹

공기 가스에 비해 더 가벼운 것을 이용하지 않고 뜰 수 있는 풍선을 상상해 보자. 반대로 채워진 모양을 유지하면서 간단히 공기를 모두 빼낼 수 있다. 현재 전 세계 헬륨의 부족을 메우는데 도움을 줄 수 있는 진공 풍선이 가볍고 플렉서블하지만 공기를 빼내 만들어진 압력을 유지하는데 충분히 강한 새로운 물질이 존재한다면 이는 가능할 것이다.

칼텍 재료 과학자들은 특별한 특성들의 결합을 가진 재료들을 개발하고 있다. 예를 들어, 그들은 열적으로 절연이며 매우 가볍거나 동시에 강하고 가볍고 부서지지 않는 특성을 가진 재료를 만들고자 연구하고 있다.

연구팀은 나노크기에서 고체가 가질 수 있는 특이한 특성의 혜택을 가지고 새로운 구조 물질을 만드는 방법을 개발했다. 사이언스에 최근 게재된 논문에서, 칼텍 연구원들은 어떻게 약 99.9퍼센트의 공기를 포함하지만 매우 강하고 50퍼센트 이상 부서진 후 원래 모양을 회복할 수 있는 세라믹을 만드는 방법을 설명하고 있다.

세라믹은 무겁고 부서지지 쉽다고 항상 생각해 왔다고 칼텍 공학과 응용과학 분과 재료 과학 및 기계학 교수인 그리어 박사가 말했다. 만약 구조들을 만들기 위해 나노크기의 개념을 이용하고 더 큰 재료들을 건설하기 위해 LEGO와 같은 나노구조들을 이용한다면, 원하는 특성들을 거의 얻을 수 있다. 즉, 디자인에 의해 물질들을 창조할 수 있다.

연구원들은 레이저가 집중된 폴리머를 교차결합하고 단단하게 하도록 레이저 빔에 의해 폴리머 내 3차원 패턴을 쓰기 위해 2광자 리소그래피라고 불리는 직접 레이저 쓰기 방법을 이용했다. 레이저에 노출된 폴리머 부분들은 3차원 빼대가 드러나도록 나머지가 분해되지만 온전히 남게 된다. 이후 이 구조는 금속, 합금, 유리, 반도체 등 거의 모든 종류의 얇은 물질 층으로 코팅될 수 있다. 마지막으로 연구원들은 빈 구조를 남기도록 이 구조 내에서 폴리머를 식각하는 또 다른 방법을 이용했다.

이 기술의 응용들은 실제적으로 제한이 없다. 매우 많은 물질이 뼈대 위에 증착될 수 있기 때문에, 이 방법은 광학, 에너지 효율, 바이오의료 등의 응용들에 특별히 유용할 수 있다. 예를 들어, 세포들이 확산될 수 있는 바이오호환 물질로 만들어진 뼈대를 만들도록 뼈와 같은 복잡한 구조들을 복제하는데 이용될 수 있다.

최근 연구에서, 연구원들은 나노크기 패턴을 반복하여 형성된 3차원 나노격자로 불리는 것을 만들기 위해 이 기술을 이용했다. 이 패터닝 단계 후, 그들은 직경이 450에서 1,380 나노미터인 튜브와 5에서 60나노미터인 두께인 벽들을 가진 속인 빈 튜브 알루미나를 만들도록 알루미늄 산화물인 알루미나로 불리는 세라믹으로 폴리머 뼈대를 코팅했다.

연구팀은 그들이 만든 다양한 나노격자들의 기계적인 특성을 시험하길 원했다. 나노크기 상 물질을 밀고 쿡 찌르기 위해 두 가지 다른 소자들을 이용하여 연구원들은 으깨고 늘렸으며 어떻게 떠받쳤는지 보기 위해 샘플들을 변형시켰다.

그들은 50나노미터 벽 두께와 약 1마이크로 미터 튜브 직경을 가진 알루미나 구조들이 압축되었을 산산조각난다는 것을 발견했다. 이는 다공성이 세라믹이 부서지기 쉽게 하기 때문이다. 그러나, 벽 두께 만 10나노미터인 벽 두께와 튜브 직경의 더 낮은 비율을 가진 압축 격자들은 매우 다른 결과를 보였다. 이 물질을 변형시키면 스프링처럼 원상회복했다. 몇 가지 경우에서, 85 퍼센트까지 샘플들을 변형시킬 수 있으며 변형 후 원상회복될 수 있었다.

세라믹, 실리콘, 유리처럼 가장 부서지기 쉬운 물질들은 작은 구멍들과 이물질 등 불완전한 결함들로 채워지기 때문에 산산조각된다. 물질이 더 완벽할수록, 파괴될 약한 점을 찾기 어렵다. 그러므로, 연구원들은 개별 벽이 겨우 10나노미터 두께인 지점으로 이 구조들을 축소시켰을 때, 결함의 수와 결함들의 크기 모두가 파괴되기 어려운 전체 구조를 만들도록 최소로 유지되었다고 추측했다. 나노격자들을 이용하여 이점은 이런 작은 크기를 이용하기 때문에 물질의 품질을 매우 개선시킬 수 있다는 것이다. 현재 연구팀은 이 메타-물질의 생산을 확대하는 다양한 방법들을 찾고 있다.

그림 설명: 이 그림은 50퍼센트 이상까지 압축된 후 어떻게 3차원 세라믹 나노격자들이 원상회복될 수 있는지 보여준다. 시간방향으로 왼쪽에서 오르쪽으로 알루미나 나노격자가 압축 전, 압축 동안, 완전히 압축 될 때, 압축 후 회복된 것을 보여준다.

참고 자료: "Strong, Lightweight and Recoverable Three-Dimensional Ceramic Nanolattices," Science, 2014. http://www.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.1255908 

출처: KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』