고무 같은 특성을 가진 투명한 산화물 유리

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KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-04
도쿄 공업 대학(Tokyo Institute of Technology)의 연구진은 강한 산화 환경 또는 고온에서 사용할 수 있는 새로운 형태의 ‘고무 같은’ 유리를 개발했다. 고온을 견딜 수 있는 유연한 물질들은 다양한 산업용 및 공업용 분야에 매우 유용하게 적용될 수 있다. 산화물로 만들어진 유리는 상온에서 딱딱하기 때문에 쉽게 부서진다. 이번 연구진은 과냉각 액체 상태가 될 때 특정 산화물 유리(혼합된 알칼리 메타인산염 유리)에서 굉장히 다른 특성을 가지게 된다는 것을 발견했다. 이번 연구진은 유기 고무(organic rubber)의 구조와 유사한 구조를 가진 산화물 유리를 조사했다. 일반적으로 유기 고무는 부드럽고, 길고, 일직선의 사슬 분자들로 구성된다. 이번 연구팀은 메타인산염 유리(metaphosphate glass)가 ‘유리 전이 온도’ 근처의 온도에서 고무와 매우 다른 신축성을 가진다는 것을 발견했다. 유리 전이 온도는 과냉각 액체에서 고체로 유리 상태가 변하는 지점이다. 이번 연구진은 혼합된 알칼리 금속(리튬, 나트륨, 세슘, 인 산화물)으로 만들어진 과냉각된 메타인산염 유리를 만들었다. 가열되고 연신될 때, 유리 속의 직선으로 뻗은 사슬 분자들은 매우 정렬되고, 유리는 고무와 같은 상태가 된다. 유리를 가열할 때, 이것은 원래의 비-정렬된 분자 상태로 돌아가기 전에 수십 %까지 크기가 수축된다. 이런 특성을 ‘엔트로피 탄성(entropic elasticity)’이라고 부르고, 이것은 이런 유형의 유리를 증명한 최초의 사례이다. 고무 같은 산화물 유리는 유리 폴리머 고무가 견딜 수 없는 고온, 산화 환경에서 적용될 수 있다. 이 연구결과는 저널 Nature Materials에 12월 2일자로 게재되었다. 이번 연구진은 Li0.25Na0.25K0.25Cs0.25PO3의 화학 성분을 가진 혼합된 알칼리 금속의 메타인산염 유리로 실험을 수행했다. 산화물 유리는 등방성이고, 상온에서 딱딱하고, 쉽게 부서진다. 이것은 일반적인 유리와 동일하다. 그러나 유리 전이 온도 근처로 가열하고 늘어진 상태에서 냉각할 때, 유리는 직선 사슬의 배향 때문에 이방성이 된다. 재료의 물성은 방향에 의존하게 된다. 메타인산염 유리가 유리 전이 온도로 열처리를 수행할 때, 이것은 35%까지 수축하지만, 부피의 변화는 없다. 더 나아가 유리, 세라믹, 금속과 같은 많은 재료들은 열 때문에 수축할 때 발열 반응을 가지는데, 이번 연구팀이 개발한 유리는 수축할 때 흡열 반응을 가진다. 메타인산염 유리는 유기 고무와 유사한 구조를 가지고, 산화물 유리 속에서는 관찰되지 않는 수축 특성을 가진다. 이것은 직선 사슬 배향 때문에 큰 이방성을 가지고 배출될 때 원래 구조로 되돌아간다. 이 연구는 산화물 유리의 내부 구조가 고온에서 고무 같은 연신 특성을 어떻게 가지는지를 보여주고 있다. 산화물 유리는 상온에서 딱딱하고 쉽게 부서진다. 이 연구결과는 유리가 고온, 산화 환경 하에서 적용될 수 있다는 것을 보여주었다. 이런 조건 하에서 유기 폴리머 고무는 사용할 수 없다. 추가적인 연구로 심지어 더 나은 특성을 가진 고무 같은 유리를 개발할 수 있을 것이고, 유리 과학 분야에 추가적인 진보를 이끌 수 있을 것이다. 그림 1. 이방성 유리를 유리 전이 온도 근처에서 열처리를 수행할 때, 길이 방향이 35%까지 수축한다. 그림 2. 유리 전이 온도 이상에서 이방성 유리가 등방성 유리로 전이된다는 것을 보여주는 이미지. noname011.bmp 2.bmp http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=38269.php