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- 층에 수직 방향의 하중에 견뎌 수평 방향으로 변형하여 방진재료 등에서의 응용 기대 -

독립행정법인 이화학 연구소(이하, RIKEN) 창발 물성 과학 연구 센터 창발 연구 그룹), 창발 생체 관련 연구팀과 물질・재료 연구 기구(이하, NIMS) 국제 나노 아키텍처닉스 연구 거점 등의 공동 연구 그룹은 서로 정전 반발하는 산화물 나노 시트(주 1)를 자장에 대해서 수직인 방향으로 배열하여 삼차원 나노 그물망 구조를 물로 팽윤시킨 젤리 물질 ′히드로겔(hydrogel)(주 2)′에 폐립하는 것으로 독특한 기계적 물성이 나타나는 재료 개발에 성공하였다.

전기적・자기적인 ′반발력′을 이용한 장치로 리니어 모터나 자기 베어링 등이 있다. 이러한 장치에서는 ′인력′을 이용하는 것만으로는 얻을 수 없는 특별한 성능이 실현되고 있다. 이것에 대해 세라믹스나 플라스틱 등의 구조재료에서는 유기 폴리머와 무기 입자와의 하이브리드 등에 대표되듯이 구성요소 간 ′인력′을 강하게 하는 것으로 강도를 높이고 있었다. 그러나 구조재료의 설계에 대해 ′반발력′을 이용하는 시도는 전혀 행해지고 있지 않았다. 한편 동물의 관절 연골은 고밀도의 부전하를 띤 고분자로 구성되어 그 정전적인 ′반발력′에 의해서 높은 내하중성과 저마찰성이 실현되고 있다.

RIKEN과 NIMS의 공동 연구 그룹은 수중에 분산된 이온성 산화티탄 나노 시트에 자장을 가하면 모든 나노 시트가 자장에 대해서 수직인 방향으로 배열하여 나노 시트끼리 서로 면과 면을 마주보게 하여 나노 시트 간 거대하고 이방적(주 3)인 정전 반발력이 나타나는 것을 발견하였다. 이 수 분산액을 겔화하면 정전 반발력에 의해 내부로부터 유지된 히드로겔 재료를 얻을 수 있다. 이 재료는 세로 방향의 큰 하중에 견디면서 가로 방향으로는 용이하게 변형한다는 통상의 재료에서는 실현되기 어려운 특이한 기계적 물성을 나타내어 방진재료로서 뛰어난 성능을 발휘한다.

이번 발견은 지금까지 전혀 발견할 수 없었던 ′반발력′이 구조재료의 기계적 물성을 제어하는데 있어서 상당히 유용한 것을 실증한 것으로 향후 구조재료의 설계에 큰 영향을 준다고 기대할 수 있다.

또한 본 연구는 종합 과학기술・이노베이션(innovation) 회의의 혁신적 연구 개발 추진 프로그램(ImPACT)에 의해 과학기술 진흥 기구를 통해 위탁한 것이라고 한다.

리니어 모터 카나 자기 베어링과 같이 전기적 또는 자기적인 ′반발력′을 사용하여 ′인력′ 만으로는 얻을 수 없는 특별한 성능을 실현하고 있는 장치가 있다. 이것에 대해 세라믹스나 플라스틱 등의 구조재료의 설계에서는 유기 폴리머와 무기 입자와의 하이브리드 재료와 같이 구성요소 간 ′인력′을 강하게 하는 것으로 강도를 높이는 연구가 계속되고 있다. 그러나 구조재료의 설계에 대해 ′반발력′을 이용하는 시도는 지금까지 전혀 행해지고 있지 않았다고 한다.

한편 생체 조직에 관심을 가지면, 예를 들면 사람의 관절 연골이 구성 유닛 사이에 작용하는 정전적인 ′반발력′을 사용한 구조재료인 것을 알 수 있다. 슬 관절 연골은 약 300Kg의 하중 하에서 수십 년 가동하여 그 사이 연골끼리 경이적인 저마찰(마찰 계수 0.001~0.03)을 유지한다. 이러한 예로부터도 구조재료의 설계에 ′반발력′을 적극적으로 활용하는 시도는 재료 과학에 혁신을 가져오는 중요한 개념일 것으로 예상된다. 따라서 공동 연구 그룹은 ′반발력′을 활용한 구조재료의 설계에 있어 이방적인 형상을 가진 나노 구조체의 배향 제어에 주목하여 신 재료 개발에 도전하였다.

공동 연구 그룹은 고밀도로 전하를 띤 일차원 또는 이차원의 나노 구조체를 서로 평행 배향할 수 있으면 나노 구조체 사이에 작용하는 정전 반발력을 최대한으로 할 수 있다고 간주하였다(<그림 1>). 이러한 평행 배향을 마크로 스케일 레벨까지 대규모로 실현될 수 있으면 ′계′가 되어 역학 특성 등의 물성의 이방성(주 3)으로 연결된다.

나노 구조체를 마크로 스케일 레벨에까지 배향하는 수법으로 자장을 가하는 방법(자장 인가)이 있다. 자장 인가에는 비접촉이면서 비파괴로 실시할 수 있다는 이점이 있다. 단 지금까지 보고되고 있는 산화물 나노 시트는 모두 가한 자장에 대해서 평행에 배향되지만 이러한 배향으로 나노 시트는 배향 벡터를 축으로 회전해 버리기 때문에 나노 시트끼리 평행한 배향에 고정할 수 없었다(<그림 2> b). 이것에 대해서 공동 연구 그룹은 수중에 분산시킨 산화티탄의 나노 시트가 외부 자장에 대해서 수직으로 배향하는 것을 발견하였다(<그림 2> a). 이 때 나노 시트는 서로 면과 면을 마주보게 한 배향을 하게 된다. 산화티탄의 나노 시트는 고밀도의 부전하를 띠고 있기 때문에 나노 시트 간 거대하고 이방적인 정전 반발력이 나타난다.

이러한 배향은 자장을 해제하는 것으로 시간과 함께 소실해 버리지만 자장에서 중합 반응을 실시하는 것으로 배향 구조를 화학적으로 고정할 수 있다. 나노 시트의 분산액에 비닐 모노머(주 4)를 첨가하여 자장 인가 하에서 라디칼 중합(주 5)하는 것으로써 자장 배향(주 6)한 구조를 고정하여 이것을 겔화하는 것으로 정전 반발력에 의해 내부로부터 유지된 히드로겔 재료를 얻을 수 있다(<그림 3> (상)). 이 히드로겔은 세로 방향의 큰 하중에는 견디면서 가로 방향에는 용이하게 변형하는 통상의 재료에서는 실현될 수 없는 특이한 기계적 특성을 나타낸다.

이러한 기계적 이방성의 응용으로서 방진을 들 수 있다. 수평 방향으로 배향한 나노 시트를 내포한 히드로겔 위에 하중을 실어 지면을 수평 방향으로 진동시켰을 때 지면으로부터의 진동은 히드로겔의 가로 방향의 변형에 의해 차단되기 때문에 상부의 하중에는 거의 전해지지 않고 뛰어난 방진기능을 달성할 수 있다(<그림 3> (하) a). 대조적으로 수직 방향으로 배향한 나노 시트 또는 랜덤 배향한 나노 시트를 내포한 히드로겔에서는 이러한 방진기능은 실현되지 않는다(<그림 3> (하) b). 주목해야 하는 점은 산화티탄 나노 시트는 히드로겔 전체 1%에 못 미친 양 밖에 존재하지 않음에도 불구하고 그 배향 방향이 재료 물성에 대해 큰 영향을 미치는 점이라고 한다.

기계적 이방성을 실현하는 이번 히드로겔 재료에는 하중에 견디는 재료, 진동을 절연하는 재료 또는 관절 연골의 대체 재료 등 다양한 응용을 기대할 수 있다. 이번 발견은 지금까지 완전하게 파악이 되지 않았던 ′반발력′이 구조재료의 기계적 물성을 제어하는데 있어서 상당히 유용한 것을 실증하고 있어 향후 구조재료의 설계에 큰 영향을 줄 것으로 예상된다.

(주 1) 산화물 나노 시트
층상 산화물의 단결정을 온화한 조건에서 화학 처리하여 결정 구조의 기본 최소단위인 층 1매까지 박리하는 것으로써 얻을 수 있는 이차원 나노 구조물질.
(주 2) 히드로겔
물과 친숙한 물질에 의해 나노 사이즈의 삼차원 구조가 형성되면 갇힌 수분자는 유동성을 잃어 계 전체는 고체상이 된다. 이러한 물질을 히드로겔이라고 부른다. 예로서는 한천・젤리・두부・곤약 등을 들 수 있다.
(주 3) 이방적・이방성
어떤 물질의 구조나 성질이 관측할 방향에 따라서 다를 때 그 물질이 이방적이다・이방성을 가진다고 한다.
(주 4) 비닐 모노머
탄소의 이중 결합을 포함한 화합물로 이중 결합에 활성의 화합물(라디칼, 음이온, 또는 양이온 종)이 부가되어 새롭게 생긴 활성점이 별도 분자의 이중 결합에 부가하는 반응이 연쇄적으로 반복하게 되면 탄소가 일차원적으로 연결된 폴리머를 얻을 수 있다.
(주 5) 라디칼 중합
비닐 모노머로부터 폴리머를 합성하는 수법 중에서도 반응을 개시하기 위한 활성화합물로서 라디칼(홀수개의 전자를 가지고 있는 화합물)을 이용하는 수법.
(주 6) 자장 배향
일차원 나노 튜브나 이차원 나노 시트 등의 이방적인 형상을 가지는 나노 구조체에 대해 외부에서 자장을 가하면 이러한 나노 구조체가 자장을 느끼는 정도(자장 감수율)가 방향에 따라서 다르기 때문에 가장 에너지적으로 안정한 방향으로 나노 구조체가 배향하는 것.

<그림 1> 근접하는 산화물 나노 시트의 정전 반발력
<그림 2> 자장에 대해서 배향하는 나노 시트
<그림 3> (상) 정전 반발력에 의해 내부로부터 유지된 히드로겔 재료 / (하) 산화티탄 나노 시트를 내포 하는 히드로겔의 방진기능



KISTI 미리안 글로벌동향브리핑 2015-01-07




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