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재료 과학 분야에서 획기적인 진전이 이루어졌습니다. 새로운 탄소 기반 소재인 “단일층 비정질 탄 (Monolayer Amorphous Carbon, MAC)”가 탄생한 것입니다. 이 소재는 싱가포르국립대학교(NUS)와 미국 라이스대학교(Rice University)의 공동 연구팀에 의해 개발되었으며, 우수한 강도와 인성을 지녀 학계에서 큰 주목을 받고 있습니다.
목차
강도와 취성의 난제
가장 단단한 재료조차도 압력을 받으면 균열이 생기는 것을 완전히 피하기는 어렵습니다. 이 문제는 재료 과학자들이 오랫동안 극복하려 해온 과제 중 하나입니다. 그래핀은 매우 높은 강도를 지녔지만, 쉽게 부서지는 특성으로 인해 균열이 발생하면 빠르게 확산되어 구조 전체가 붕괴되는 문제가 있습니다. 이로 인해 그래핀의 실제 응용에는 한계가 존재했습니다.
MAC의 독특한 구조: 강도와 인성을 동시에
MAC의 발견은 강도와 인성 간의 상충 문제를 성공적으로 극복한 사례입니다. 그래핀처럼 MAC도 2차원 또는 단일 원자 두께의 물질이지만, 그래핀과는 달리 완전한 결정 구조가 아닌, 결정 영역과 비정질 영역이 혼합된 복합 구조를 가지고 있습니다. 이 독특한 구조는 그래핀의 높은 강도는 유지하면서, 그래핀보다 8배 이상 높은 인성을 구현하게 했습니다. 이러한 복합 구조는 MAC만의 독특한 인성을 가능케 하며, 이는 복합 설계 방식이 2D 소재의 취성을 줄이는 효과적인 전략이 될 수 있음을 시사합니다.
라이스대학교 재료과학 및 나노공학 박사과정 연구원이자 이번 연구의 제1저자인 Bongki Shin는 다음과 같이 말했습니다. “이러한 독특한 구조는 균열의 확산을 효과적으로 억제하며, 재료가 파단되기 전 **더 많은 에너지를 흡수할 수 있도록 도와줍니다.”
2차원 소재 응용 가능성의 확장
2차원 소재는 고유한 물리적·화학적 특성 덕분에, 전자 제품, 에너지 저장, 센서, 웨어러블 기술 등 다양한 분야에서 광범위한 응용 가능성을 지니고 있습니다. 그러나 이러한 소재는 태생적으로 취성이 강해, 실제 응용에서 중대한 제약 요인으로 작용해 왔습니다.
이 문제를 극복하기 위해 과학자들은 두 가지 인성 향상 전략을 제안해 왔습니다:
외적 인성 강화——박막에 강화된 나노구조를 첨가하는 방식
내적 인성 강화——재료 내부 구조를 조절하여 인성을 높이는 방식
MAC의 구조는 나노 복합 재료의 파괴 인성을 연구하는 데 이상적인 참조 모델이 될 수 있으며,
내적 인성 강화 전략이 충분히 실현 가능함을 입증해주고 있습니다.
과학적 검증과 향후 발전 방향
연구진은 주사전자현미경을 활용하여 인장 시험을 실시간(in-situ)으로 진행, MAC 내에서 균열이 생성되고 확산되는 과정을 관찰했습니다. 또한, MIT의 Markus Buehler 연구팀은 분자동역학 시뮬레이션을 통해, 결정 영역과 비정질 영역의 혼합이 재료의 파괴 에너지에 어떤 영향을 미치는지를 원자 수준에서 분석했습니다.
라이스대학교 재료과학 및 나노공학 조교수이자 이번 연구의 교신 저자인 Yimo Han 교수는 다음과 같이 말했습니다. “원자 수준에서 초박형 비정질 재료를 합성하고 이미징하는 일은 매우 도전적인 작업이며, 이전에는 실현이 거의 불가능했습니다. 하지만 나노 소재 합성과 고해상도 이미징 기술의 발전 덕분에, 추가적인 층을 도입하지 않고도 2차원 재료의 인성을 크게 향상시킬 수 있는 새로운 방법을 발견하게 되었습니다.”
이번 연구 결과는 국제 학술지《Matter》에 게재되었으며, 향후 2차원 재료의 설계 및 응용에 새로운 가능성을 제시합니다. 이 발견은 재료의 취성을 극복할 수 있는 효과적인 전략을 제공할 뿐만 아니라, 고성능 전자소자, 플렉서블 장치, 첨단 센서 개발을 위한 기반을 마련하는 데에도 중요한 기여를 하고 있습니다.
참고 문헌
- 돌파적인 2차원 소재 ‘단일층 비정질 탄소’ 탄생, 인성은 그래핀의 8배
- A New Carbon Super-Material Is 8x Tougher Than Graphene
- “단일층 비정질 탄소 나노복합재의 내재적 인성 향상”, 저자:Bongki Shin、Bo Ni、Chee-Tat Toh、Doug Steinbach、Zhenze Yang、Lucas M. Sassi、Qing Ai、Kangdi Niu、Junhao Lin、Kazu Suenaga、Yimo Han、Markus J. Buehler、Marku、Hyaal 395 년 75 월, 25 월 25 월 25월. DOI: 10.1016/j.matt.2025.102000
(대표 이미지 출처: Gustavo Raskoksy / 라이스대학교)
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