더 강하고 더 질긴 그래핀 복합물
버지니아 대학(University of Virginia)의 연구진은 진주와 동일한 구조를 가지고 있지만 강도와 인성이 훨씬 더 큰 그래핀과 알루미늄으로 새로운 합성물을 만들었다. 이 합성물은 알루미늄에 비해서 210% 향상된 경도와 223% 향상된 강도 그리고 78% 향상된 강성을 가지고 있다. 이 연구결과는 경량 차량과 차세대 전자 장치를 개발하는데 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다.
자연의 갑옷으로 알려진 진주층은 부드러운 생체 고분자 사이에 단단한 아라고나이트(aragonite)가 삽입된 구조로 만들어진다.
강하면서 질긴 재료를 개발하는 것은 매우 어렵다. 예를 들어, 재료의 강도를 증가시키면 쉽게 부서질 수 있다. 자연은 진주층과 같이 부드러운 유기 생체 고분자 속에 단단한 아라고나이트를 삽입함으로써 이런 문제를 해결했다.
과학자들은 이것을 달성하기 위해서 세라믹/폴리머 복합층을 만드는 방식을 대부분 사용했다. 예를 들어, Al2O3/PMMA 라멜라 복합체는 진주와 유사한 구조를 가지지만, 고분자를 포함하기 때문에 그다지 강하지 않다.
이번 연구진은 Al/graphene/Al2O3 복합재료를 만듦으로써 이런 문제를 해결했다. 매우 높은 경도와 우수한 화학적 안정성을 가진 Al2O3 나노입자는 고분자 및 금속 재료 보강에 이상적인 역할을 한다.
금속 소재로 복합 재료를 만들기 위해서는 종종 심각한 소성 변형과 고온 어닐링이 필요하다. 이러한 과정은 삽입된 그래핀의 구조를 손상시켜서 기계적 강도 향상 효과를 없애준다. 이것은 이전에 개발된 그래핀/금속 복합재가 이론적인 것보다 낮은 강도와 강성을 가지는 주요 원인이다.
이번 연구진은 그래핀 산화물과 알루미늄 사이의 반응을 이용했다. 이런 반응은 그래핀 산화물을 결함이 있는 그래핀과 Al2O3로 환원시킬 수 있었다. Al2O3는 그래핀의 저하를 막을 수 있는 보강제의 역할을 함으로써 복합 재료가 더 강하게 만든다.
이 새로운 합성 재료는 무게와 강도가 중요한 분야에 사용될 수 있을 것이다. 예를 들어, 고속 차량에 이것을 적용하면 중량을 줄여서 에너지 소비를 크게 줄일 수 있고, 안전성도 향상시킬 수 있을 것이다. 또 다른 분야는 강하고 견고하면서 우수한 열전도도가 필요한 차세대 전자장치가 될 것이다.
이 연구결과는 저널 Nano Letters에 “Bioinspired, Graphene/Al2O3 Doubly Reinforced Aluminum Composites with High Strength and Toughness” 라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b03308).
