그래핀 산화물(Graphene Oxide)의 뛰어난 안정성

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-15

물 속에서 그래핀 산화물(Graphene Oxide) 필름의 안정성은 액상 여과(aqueous filtration)와 분리 기술 등을 위한 멤브레인으로 이용되는데 매우 중요하다. 그러한 안전성은 또한 미스터리한 것이다. 물에서, 그 필름은 음전하를 띄게 되고 따라서 정전기적 반발력(electrostatic repulsions)은 그 필름들이 서로 떨어져 존재하는 이유가 된다. 연구자들은 이제 그 멤브레인들이 금속 이온의 혼합으로 인해 안정성을 유지할 수 있게 된다는 사실을 보여주었다(Nat. Chem. 2015, DOI: 10.1038/nchem.2145). 이들의 연구 결과는 박막 필름들이 자신들의 속성을 원하는데로 부여받을 수 있도록하는 방법을 개발하는데 유용하게 이용될 수 있다. 연구자들은 작은 그래핀 산화물 조각들을 결합시켜 종이와 같은 멤브레인을 만들기 위해 진공 여과법(vacuum filtration methods)을 이용했다. 이 필름들은 강도가 뛰어나며 물에 안정적이다. 이들의 직관에서 어긋나는 뛰어난 안정성이 노스웨스턴대(Northwestern University) 재료과학자인 Che-Ning Yeh와 Jiaxing Huang 및 동료 연구자들이 그 방법과 재료를 면밀하게 조사한 이유였다. 연구자들은 일반적으로 멤브레인을 처리하는데 이용하는 기공성 알루미늄 산화물 필터 디스크(porous aluminum oxide filter disks) 상에서 제로화(zeroed)되었다. 이들의 부드럽고 강한 표면과 더불어 이 디스크들은 균일한 구조성 멤브래인을 만들어내는 것으로 생각되었다. 그러나, Yeh와 Huang은 이 디스크들이 멤브레인을 프로세싱하는 과정에서 부식되어 알루미늄 이온을 방출한다는 사실을 발견했다. 그라파이트(graphite)에서 그래핀 산화물을 만들어내는데 이용되는 황산(sulfuric acid)이 그러한 부식을 유발한다. 이 3가의 알루미늄 이온들은 유용하다는 사실이 확인되었다. 이들은 음으로 하전된 그래핀 산화물을 연결시키고 강화시켜 멤브레인을 만들어낸다. 덜 선호되는 엉성하게 만든 고분자 필터 디스크들은 금속 이온들을 방출하지 않는다. 하지만 이들이 만들어내는 완전히 오염되지 않는 멤브레인들은 물 속에서 서로 분리된다. 이에 대해 UCLA의 재료공학자인 Richard B. Kaner는 "이것은 매우 놀라운 발견"이라고 말했다. 그는 또한 양극 이온화 알루미나 멤브레인에서 알루미늄 이온이 만들어질 수 있으며 이 알루미늄 이온들은 많은 분리 응용 분야를 위한 멤브레인을 강화하는데 이용될 수 있을 것이라고 말했다. 호주 빅토리아의 모나쉬대(Monash university)의 재료공학자인 Dan Li는 이렇게 잘 기획된 실험들이 관련된 과학적 사실들을 잘 밝혀내 줄 수 있으며 다양한 응용 분야에 적합한 그래핀 산화물 종이를 엔지니어링할 수 있는 방법을 제시해줄 수 있다고 말했다. 그는 또한 "이것은 사소한 오염 문제가 어떻게 중요한 발견으로 이어질 수 있는지를 보여주는 훌륭한 예가 될 수 있다"고 말했다. 그림: 연구자들이 실험에 이용한 그래핀 산화물 필름과 디스크 c1.jpg http://cen.acs.org/articles/93/web/2015/01/Graphene-Oxides-Surprising-Stability.html