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미국 미주리 과학기술대학(Missouri University of Science and Technology)의 연구진은 나노입자 수준에서 에어로겔(aerogel)의 기계적 특성을 조사했다. 실험과 컴퓨터 모델링을 결합해서 고분자 에어로겔이 어떻게 파괴되고 변형되는지를 조사했다. 에어로겔을 분쇄하고 압입함으로써 겔의 특성을 더 잘 이해할 수 있게 되었다. 강하고 유연한 초경량 에어로겔은 해상 석유 파이프라인에서부터 우주 탐사용 부품까지 다양한 제품에 적용되고 있다. 현재, 에어로젤은 기계적 특성에 대한 나노수준의 이해를 바탕으로 새로운 패러다임 변화를 겪고 있다. 에어로겔은 겔에서 파생된 가벼우면서 강한 다양한 종류의 고체 물질을 지칭한다. 즉, 합성 시에 형성된 겔 구조를 그대로 유지한 상태에서 겔 구조 내의 액체를 공기로 치환해 얻은 고다공성 나노구조체이다. 이번 연구진은 폴리우레아(polyurea) 에어로겔의 나노변형을 관찰했다. 그래서 나노다공성 폴리머의 나노변형에 대한 정보를 세계 최초로 얻었고, 이것은 폴리머 에어로겔 및 연질 나노다공성 재료를 설계하고 최적화하는데 유용할 것이다. 이번 연구에서는 에어로겔 구조의 4 가지 파괴 모드를 확인했다. 또한 에어로겔의 특성이 겔의 상대 밀도와 2차 입자 크기에 의존한다는 것을 발견했다. 이것은 에어로겔 간의 기존의 거듭제곱적 관계(power-law relationship)가 없다는 것을 의미한다. 에어로겔의 특성은 벌크 상태일 때는 잘 조사되었지만, 나노구조일 경우에는 아직까지 잘 조사되지 않고 있다. 이번 연구는 이런 에어로겔의 나노특성을 더 잘 이해하는데 초점을 맞추어서 진행했다. 이 연구는 생의학적 임플란트와 약물 전달 플랫폼의 에너지 흡수와 같은 분야에 적용될 수 있을 것이다. 그리고 우주선, 의학 등의 매우 다양한 분야에 적용되는 나노다공성 폴리머를 디자인하는데 적용될 수 있을 것이다. 이 연구결과는 저널 Soft Matter에 “Multi-scale progressive failure mechanism and mechanical properties of nanofibrous polyurea aerogels” 라는 제목으로 게재되었다. |
