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미 에너지부 브룩헤이븐 국립 연구소와 코네티컷 대학교의 연구팀은 금속성 강도와 거품 같은 압축력과 스프링 능력을 결합한 맞춤형 나노 물질을 개발했다. 연구팀은 알려진 고강도 공학 재료 중 가장 높은 것 중 하나인 무게를 위해 나노 스케일에 전례없는 양의 기계 에너지를 저장하고 방 할 수 있는 재료를 설계했다. 연구팀의 기술은 기존의 산업 반도체 공정과 잘 어울려, 실험실에서 실용적인 응용 프로그램으로 쉽게 이동할 수 있다. 이번 연구는 최근 나노 레터스 (Nano Letters) 지에 발표되었는데 유기 및 무기 분자로 이루어진 수십억 분의 1 미터에 이르는 나노 구조를 설명하고 있다. 이 연구에서 연구한 기둥과 같은 맞춤형 구조물은 초소형 스프링, 레버 또는 모터가 필요한 장치와 같이 첨단 나노 전자 기계 시스템 (NEMS)을 구현할 수 있다. 이 신소재를 잠재적으로 활용할 수 있는 NEMS 기술에는 초 민감도 가속도계, 다기능 공진기 및 생합성 인공 근육이 포함된다. 연구팀은 원자 층 증착 및 전자빔 리소그래피 분야의 전문 지식을 혁신적인 증기상 물질 침투로 연결하여 이러한 새로운 물질을 개발했다. 이 연구는 하나의 특정 매개 변수인 '탄성 계수'를 향상 시키거나 기계적 에너지를 흡수하고 구조적 손상을 입지 않고 재료를 방출하는 성능을 측정하고자 했다. 이러한 특성은 대개 동시에 증가하기 때문에 높은 기계적 강도와 낮은 강성이 요구된다. 연구팀의 유기-무기 하이브리드 재료는 금속처럼 높은 강도를 나타내지만 거품과 같은 낮은 강성을 나타낸다. 기계적 특성의 이 독특한 커플링은 엄청난 양의 탄성 에너지를 저장하고 방출할 수 있는 재료의 능력을 설명하고 있다. 그 필수 탄력성은 근육의 유연과 방출과 같이 화학과 구조 모두에 의해 제약을 받기 때문에 과학자들은 유기 요소와 무기 요소를 모두 포함하는 하이브리드 물질로 전환했다. 이 과정은 리소그래피 (lithography)에서 집속된 전자선이 마이크로 미터 규모의 디바이스 제조에 일반적으로 사용되는 감광성 물질인 SU-8이라는 폴리머에 작은 기둥 (300 나노 미터 폭 및 1000 나노 미터 높이)을 제작했다. 리소그래피 공정의 정확한 기하학은 무기 원소에 의한 연속적인 침투를 위한 구조 기반을 마련했다. 연구팀은 나노 기둥 배열을 진공 챔버에 넣고 ALD (Atomic Layer Deposition)라고 불리는 알루미늄 전구체 증기를 도입했다. 전구체는 폴리머 기둥의 기공으로 자연스럽게 흡수된다. 이는 분자 콘크리트가 보도의 균열 및 균열을 부드럽게 하는 것과 같다. 이어서 물에 노출시키면 알루미늄 전구체가 금속 산화물 분자로 변형되어 폴리머 매트릭스가 강화된다. 이러한 노출 횟수와 지속 기간을 통해 연구자는 재료의 궁극적 인 기계적 특성을 조정할 수 있다. 이 침투 공정은 침투할 수 있는 다양한 무기 물질 시스템을 고려할 때 기계적 탄성 탄력성과 전자 및 광학 특성의 독특한 결합을 가능하게 해야 한다. 이러한 하이브리드 재료는 이전에는 볼 수 없었던 새로운 특성을 지니고 있으며, 시판되고 확장 가능한 증착 시스템으로 이 단계를 실행할 수 있다. 그들은 구형 산화 알루미늄 클러스터가 화학적으로 분리되어 있지만 나노 기둥 매트릭스에 완전히 통합된 것으로 밝히기 위해 투과 전자 현미경으로 화학 조성 및 구조를 테스트했다. 이러한 철저한 혼합, 특히 금속 산화물 클러스터의 구형 (spherical shape)은 복원력의 놀라운 계수 (modulus of resilience)에 기여했다. 침투된 나노 크기의 금속 산화물 침투가 없다면, 폴리머 기둥은 기계적 변형으로 인해 부서질 것이다. 그 탄력성을 테스트하기 위해 샘플을 가로 질러 나노 기계 팁을 달았다. 이 팁은 사람 머리카락보다 약 200 배 얇은 개인 기둥을 살짝 눌러준다. 연구팀은 탄성 기계적 에너지, 물질의 저장 및 배출 능력 및 구조적 완전성 사이의 관계를 측정했다. 연구팀의 하이브리드 소재는 기계적 충격에서 탁월한 보호 기능을 제공할 수 있으며 표층의 우수한 강도는 우수한 내마모성을 보장한다. 침투 기술은 나노 제작 커뮤니티에 큰 영향을 미칠 것이다. 연구팀은 구조적 및 화학적 특성을 조정하여 이러한 물질을 추가로 활용하고 응용 분야를 준비할 것이다. 침투 합성은 여전히 비교적 새로운 기술이다. 환경, 기술, 감지, 에너지의 다양한 성능을 향상시키기 위해 새로운 기능 하이브리드 재료와 무기 나노 구조를 생성하는 미래의 응용에 사용될 수 있다. |
