MIT 연구원 3D 프린팅으로 강철보다 20배 낮은 밀도, 10배 강한 소재 개발
MIT 연구원팀은 다중 재료 3D프린터를 사용하여 지금까지 없었던 가장 강력한 경량 소재 중 하나를 조사했습니다. 그래핀 조각을 압축 및 융합함으로써 연구원팀은 강철의 5% 밀도와 10배의 강도를 가진 소재를 만들 수 있었습니다.
최근 과학자들이 현대의 제조 기술을 사용하여 총 강력 3D 구조를 만들려고 시도할 때, 구조의 모양과 형태가 중요하다는 사실을 점차 깨닫고 있습니다. 재료 엔지니어들은 3D 프린팅 기술을 사용해 완전히 새로운 모양과 형태로 실험할 수 있게 되었고 이에 따라 구조는 점점 강해지고 있습니다. MIT 연구팀은 2D 형태의 물질 중 가장 강하다고 여겨지는 그래핀에 대해 왜 그래핀 자체가 엄청 강하에 대해 흥미진진한 실험을 수행했습니다. 과학자들은 믿을 수 없을 정도로 강하고 압축된 형태의 그래핀을 제작한 후, 물질 자체의 특성보다는 산호와 같은 구조와 형상이 강한 재질의 원인이라는 것을 깨닫게 되었습니다. 따라서 플라스틱과 같은 다른 저렴한 재료로 3D 구조를 복제함으로써 과학자들은 저예산으로 그래핀과 같은 강도를 얻을 수 있었습니다.
이 연구를 통해 과학자들은, 그래핀 조각(flake)을 초강력 형태로 압축 할때 재료가 마치 접힌 종이처럼 약간 움직이는 것을 발견했습니다. 종이가 펼쳤을 때 쉽게 구겨질 수 있지만, 튜브에 굴러 넣거나 더 작은 크기로 접으면 그의 힘이 다량으로 증가하는 것을 볼 수 있었습니다. 마찬가지로, 그래핀 조각의 새로운 압축 배치는 압축되지 않은 않았던 배치보다 훨씬 강한 형태를 만들었습니다. 연구진은 이러한 패턴을 깨닫고 나서 MIT의 CEE 연구 과학자인 Zhao Qin은 “우리의 한계가 무엇이고 그에 따라 우리가 생산할 수 있는 가장 물질이 무엇인지를 보고 싶었습니다.”라고 전했습니다.
연구팀은 압축된 그래핀 구조가 한계에 이르렀을 때 강철의 밀도는 5%이지만 강도는 10배나 되는 믿을 수 없을 만큼의 강한 물질을 만들 수 있음을 발견했습니다. 그런 다음 압축된 그래핀 조각의 기하학적 배치를 분석하여 3D 프린터로 부분적으로 강한 소재를 다시 만들 수 있었습니다. 처음에는 공기보다 가벼운 3D 프린팅된 그래핀 구조를 만들 수 있었으면 했고 풍선에 사용하는 헬륨의 강력한 대안으로 사용할 수 있기를 희망했으나 시험을 통해 구조가 주변 공기압으로부터 붕괴하는 것을 알게 됐습니다.
이 실험을 통해 연구진이 알게 된 가장 중요한 발견은 그래핀의 초강력 기하학적 구성이 다른 재료로도 재현이 되며 이 특성을 다시 장점으로 활용하거나 비용을 절감할 수 있다는 것을 깨달았다는 것입니다.
“우리는 폴리머나 금속과 같은 물질로 발견한 기하학적 구성을 사용하거나 진짜 그래핀 재료를 사용할 수 있습니다”라고 MIT의 토목환경과 (CEE) 책임자이자 McAfee의 엔지니어링 교수 Markus Buehler가 말했습니다. “재료 자체를 그 어떠한 것과 대체 할 수 있습니다.”
그래핀은 열과 압력에 노출되었을 때 원형이며 구멍으로 가득 찬 기하학적 형태로 형성됩니다. 자이로 (gyroids)로 알려진 이러한 모양은 종합적으로 재현하기가 대단히 어렵지만, 연구팀은 테스트 목적으로 자연스러운 크기의 수천 배로 확대된 3D 프린팅된 모델을 사용했습니다. 이 3D 프린팅된 모델은 실제 압축된 그래핀 만큼 강하지 않았지만 열 및 압력 처리 전에 화학 기상 증착법으로 그래핀을 코팅한 다음 화학적 또는 물리적으로 폴리머를 제거하거나 금속상은 자이로 이들 형태로 3D 그래핀을 남겨서 폴리머 또는 금속 입자를 서식으로 사용할 수 있다고 합니다.
궁극적으로, MIT 연구원들의 이번 발 결은 많은 분야에 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 교량과 콘크리트 구조물은 그래핀에서 발견되는 것과 비슷한 기공 구조로 만들어질 수 있으며, 미세한 기공은 물 또는 화학 처리를 위해 여과 시스템에서 유용할 수 있습니다.
Article by Benedict
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