그래핀이란 무엇입니까? 당신이 알아야 할 사항은 다음과 같습니다

추가 읽기

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오늘날 새로운 소재는 미래를 바꿀 수 있는 잠재력을 갖고 있습니다. "초물질"이라고 불리는 그래핀은 전 세계 연구자들이 이를 더 잘 이해하기 위해 애쓰고 있습니다. 그래핀의 기적적인 특성의 긴 목록은 거의 마술처럼 보이지만 물리학과 공학의 미래에 매우 현실적이고 과감한 영향을 미칠 수 있습니다.

그래핀이란 정확히 무엇인가요?

그래핀을 설명하는 가장 간단한 방법은 연필심에 사용되는 부드럽고 벗겨지는 재료인 흑연의 얇은 단일 층이라는 것입니다. 흑연은 탄소 원소의 동소체입니다. 즉, 동일한 원자를 가지고 있지만 다른 방식으로 배열되어 재료에 다른 특성을 부여합니다. 예를 들어, 다이아몬드와 흑연은 모두 탄소 형태이지만 성질이 크게 다릅니다. 다이아몬드는 엄청나게 강한 반면, 흑연은 부서지기 쉽습니다. 그래핀의 원자는 육각형 배열로 배열되어 있습니다.

흥미롭게도 그래핀이 흑연에서 분리되면 몇 가지 기적적인 특성을 갖게 됩니다. 그것은 단지 원자 1개의 두께로, 지금까지 발견된 최초의 2차원 물질입니다. 그럼에도 불구하고, 그래핀은 알려진 우주에서 가장 강한 물질 중 하나이기도 합니다. 인장강도 130GPa(기가파스칼)로 강철보다 100배 이상 강하다.

그래핀의 놀라운 강도는 매우 얇음에도 불구하고 이미 놀라워지기에 충분하지만, 그래핀의 고유한 특성은 여기서 끝나지 않습니다. 또한 유연하고 투명하며 전도성이 뛰어나며 대부분의 가스와 액체에 불침투성인 것처럼 보입니다. 그래핀이 뛰어나지 않은 분야는 거의 없을 것 같습니다.

그래핀의 역사: 테이프 한 묶음, 그리고 꿈

흑연은 오랫동안 알려진 양입니다(인류는 신석기 시대부터 사용해 왔습니다). 그 원자 구조는 잘 문서화되어 있으며 오랫동안 과학자들은 단일 층의 흑연이 분리될 수 있는지에 대해 고민했습니다. 그러나 최근까지 그래핀은 단지 이론에 불과했습니다. 과학자들은 흑연을 원자처럼 얇은 단일 시트로 자르는 것이 가능한지 확신할 수 없었기 때문입니다. 최초의 분리된 그래핀 샘플은 2004년 맨체스터 대학의 Andre Geim과 Konstantin Novoselov에 의해 발견되었습니다. 사람들은 그들이 거대하고 값비싼 기계를 사용하여 전설적인 물질을 분리했다고 생각할 수도 있지만, 그들이 사용한 도구는 재미있을 정도로 간단했습니다. 바로 스카치 테이프 두루마리였습니다.

테이프를 사용하여 큰 흑연 블록을 연마할 때 연구원들은 테이프에서 유난히 얇은 조각을 발견했습니다. 흑연 조각에서 층과 층을 계속해서 벗겨내면서 결국 가능한 한 얇은 샘플을 생산했습니다. 그들은 그래핀을 발견했습니다. 그 발견은 너무나 이상해서 과학계는 처음에는 회의적이었습니다. 인기 있는 저널 자연 심지어 실험에 대한 논문을 두 번이나 거부했습니다. 결국, 그들의 연구는 출판되었고, 2010년에 가임과 노보셀로프는 그들의 발견으로 노벨 물리학상을 수상했습니다.

잠재적인 응용

그래핀이 수많은 최상급 특성 중 하나만 갖고 있다면 잠재적인 용도에 대한 집중적인 연구의 주제가 될 것입니다. 여러 면에서 매우 뛰어난 그래핀은 과학자들에게 영감을 주어 소비자 기술 및 환경 과학과 같은 다양한 분야에서 이 재료의 광범위한 용도를 생각하게 했습니다.

유연한 전자 장치

강력한 전기적 특성 외에도 그래핀은 매우 유연하고 투명합니다. 이는 휴대용 전자 장치에 사용하기에 매력적입니다. 스마트폰과 태블릿은 그래핀을 사용하면 내구성이 훨씬 더 높아질 수 있으며 종이처럼 접을 수도 있습니다. 최근 웨어러블 전자기기가 인기를 끌고 있다. 그래핀을 사용하면 이러한 장치를 더욱 유용하게 만들 수 있으며 팔다리에 꼭 맞고 다양한 형태의 운동을 수용할 수 있도록 구부러지도록 설계되었습니다.

그러나 그래핀의 유연성과 미세한 폭은 단순한 소비자 장치 이상의 기회를 제공합니다. 이는 생물의학 연구에도 유용할 수 있습니다. 인체 내에서 쉽고 무해하게 움직일 수 있고 조직을 분석하거나 특정 부위에 약물을 전달할 수도 있는 소형 기계와 센서를 그래핀으로 만들 수 있습니다. 탄소는 이미 인체의 중요한 성분입니다. 약간의 그래핀을 첨가하면 아프지 않을 수 있습니다.

태양전지/광전지

그래핀은 전도성이 높고 투명합니다. 그만큼 태양전지 소재로서 잠재력이 크다. 일반적으로 태양전지는 광자가 물질에 닿을 때 전하를 생성하는 실리콘을 사용하여 자유 전자를 떨어뜨립니다. 실리콘은 부딪치는 광자당 전자 하나만 방출합니다. 연구에 따르면 그래핀은 충돌하는 각 광자에 대해 여러 개의 전자를 방출할 수 있습니다. 따라서 그래핀은 태양 에너지를 변환하는 데 훨씬 더 뛰어날 수 있습니다. 머지않아 더 저렴하고 더 강력한 그래핀 전지는 재생 에너지의 엄청난 급증을 가져올 수 있습니다.

그래핀의 광전지 특성은 카메라와 같은 장치를 위한 더 나은 이미지 센서를 개발하는 데 사용될 수 있음을 의미합니다.

반도체

전도성이 높기 때문에 그래핀은 반도체에 사용되어 정보 이동 속도를 크게 높일 수 있습니다. 최근 에너지부는 반도체 층 위에 실리콘 층보다 그래핀 층 위에 놓을 때 반도체 폴리머가 훨씬 더 빠르게 전기를 전도한다는 것을 입증하는 테스트를 실시했습니다. 이는 폴리머가 더 두꺼워도 마찬가지입니다. 50나노미터 두께의 폴리머를 그래핀 층 위에 놓았을 때 10나노미터 폴리머 층보다 더 나은 전하를 수행했습니다. 이는 폴리머가 얇을수록 전하를 더 잘 전도할 수 있다는 기존 통념에 정면으로 배치됩니다.

전자 제품에서 그래핀을 사용하는 데 가장 큰 장애물은 밴드 갭(교차 시 전류 흐름을 허용하는 재료의 원자가 밴드와 전도 밴드 사이의 갭)이 부족하다는 것입니다. 밴드 갭은 실리콘과 같은 반도체 물질이 트랜지스터로 기능할 수 있게 해줍니다. 전자가 밴드 갭을 넘어 밀려나는지 여부에 따라 절연 또는 전류 전도 사이를 전환할 수 있습니다.

연구자들은 그래핀에 밴드 갭을 부여하기 위해 다양한 방법을 테스트해 왔습니다. 성공한다면 그래핀으로 제작된 전자 장치가 훨씬 더 빨라질 수 있습니다.

물 여과

그래핀의 긴밀한 원자 결합으로 인해 거의 모든 가스와 액체가 투과되지 않습니다. 흥미롭게도 물 분자는 예외입니다. 물은 그래핀을 통해 증발할 수 있지만 대부분의 다른 가스와 액체는 증발할 수 없기 때문에 그래핀은 탁월한 여과 도구가 될 수 있습니다. 맨체스터 대학의 연구원들은 그래핀의 알코올 투과성을 테스트한 결과 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었습니다. 샘플에 있는 물만 통과할 수 있으므로 매우 강한 증류주 샘플을 증류합니다. 그래핀.

물론, 그래핀을 필터로 사용하는 것은 더 강한 증류주를 증류하는 것 이상의 잠재력을 가지고 있습니다. 그래핀은 또한 물에서 독소를 정화하는 데 큰 도움이 될 수 있습니다. 왕립화학회(Royal Society of Chemistry)가 발표한 연구에서 연구자들은 산화된 그래핀이 심지어 물 속에 존재하는 우라늄, 플루토늄과 같은 방사성 물질을 끌어당겨 액체에 오염물질이 남지 않게 합니다. 오염물질. 이 연구의 의미는 엄청납니다. 핵폐기물, 화학물질 유출 등 역사상 가장 큰 환경적 위험 중 일부는 그래핀 덕분에 수자원에서 제거될 수 있습니다.

인구 과잉이 세계에서 가장 시급한 환경 문제 중 하나이기 때문에 깨끗한 물 공급을 유지하는 것이 더욱 중요해질 것입니다. 실제로 물 부족으로 인해 전 세계적으로 10억 명이 넘는 사람들이 고통받고 있으며, 현재의 추세를 고려하면 그 숫자는 계속해서 증가할 것입니다. 그래핀 필터는 수질 정화를 개선하여 이용 가능한 담수의 양을 늘릴 수 있는 엄청난 잠재력을 가지고 있습니다. 실제로 록히드 마틴(Lockheed Martin)은 최근 담수화 공정에 혁명을 일으킬 수 있는 "퍼포렌(Perforene)"이라는 그래핀 필터를 개발했습니다.

현재 담수화 플랜트에서는 역삼투압 방식을 사용하여 바닷물에서 염분을 걸러냅니다. 역삼투압은 압력을 사용하여 막을 통해 물을 이동시킵니다. 많은 양의 마실 수 있는 물을 생산하려면 수반되는 압력에 막대한 양의 에너지가 필요합니다. ㅏ 록히드 마틴 엔지니어의 주장 Perforene 필터는 다른 필터보다 에너지 요구 사항을 100배나 줄일 수 있습니다.

MIT, '나노기공'으로 그래핀 개발

여과는 그래핀의 가장 확실한 용도 중 하나이며, MIT 엔지니어들은 그래핀의 분자 분리 능력을 완성하는 데 큰 진전을 이루었습니다. 2018년에는, MIT 팀은 그래핀 시트에 작은 "핀 프릭(pinprick)" 구멍을 만드는 방법을 고안했습니다. MIT 연구진은 그래핀을 생산하기 위해 "롤투롤(roll-to-roll)" 접근 방식을 사용합니다. 그들의 설정에는 두 개의 스풀이 포함됩니다. 하나의 스풀은 구리 시트를 용광로에 공급하여 가열됩니다. 적절한 온도를 유지한 다음 엔지니어들은 메탄과 수소 가스를 추가하여 본질적으로 그래핀 풀을 생성합니다. 형성. 그래핀 필름은 용광로에서 나와 두 번째 스풀에 감겨 있습니다.

이론적으로 이 공정을 통해 상대적으로 짧은 시간 내에 큰 그래핀 시트를 형성할 수 있으며 이는 상업적 응용에 매우 중요합니다. 연구자들은 그래핀이 완벽하게 형성되도록 과정을 미세 조정해야 했고, 흥미롭게도 이 과정에서 불완전한 시도가 나중에 유용하다는 것이 입증되었습니다. MIT 연구팀은 그래핀에 기공을 만들려고 함에 따라 산소 플라즈마를 이용해 구멍을 뚫는 것부터 시작했습니다. 이 프로세스에는 시간이 많이 걸리기 때문에 더 빠른 것을 원했고 이전 실험에서 해결책을 찾았습니다. 그래핀이 성장하는 동안 온도를 낮추어 기공이 생기도록 했습니다. 개발 과정에서 결함으로 보였던 것이 결국 다공성 그래핀을 만드는 데 유용한 방법이 됐다.

초전도성

얼마 후 케임브리지의 과학자들이 시연했다. 그래핀이 프라세오디뮴 세륨 구리 산화물과 결합하면 초전도체(전기 저항이 없는 물질)로 작용할 수 있다고 MIT 연구진이 밝혔습니다. 발견 또 다른 놀라운 특성은 올바른 구성에서 초전도체만으로 기능할 수 있다는 것입니다. 연구진은 두 개의 그래핀 조각을 쌓았지만 1.1도 각도로 상쇄되었습니다. 네이처(Nature)에 발표된 보고서에 따르면, “매사추세츠 연구소의 물리학자 파블로 야릴로-헤레로(Pablo Jarillo-Herrero)는 케임브리지의 MIT(Technology)와 그의 팀은 그들의 설정에서 초전도성을 찾지 않았습니다. 실험. 대신에 그들은 마법의 각도라고 불리는 방향이 그래핀에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지 탐구하고 있었습니다.”

그들이 발견한 것은 불안정한 그래핀 스택에 전기를 흐르게 하면 그것이 초전도체로 기능한다는 것입니다. 전기를 가하는 이 간단한 과정을 통해 유사한 종류의 그래핀보다 그래핀을 더 쉽게 연구할 수 있습니다. 초전도체, 구리산염(그 물질은 훨씬 더 높은 수준에서 초전도성을 나타냄) 온도. 초전도성을 나타내는 대부분의 물질은 절대온도 0도 근처에서만 나타납니다. 일부 소위 "고온 초전도체"는 상대적으로 높은 133켈빈(섭씨 -140도) 정도의 온도에서 초전도성을 나타낼 수 있습니다. 충분한 압력 하에서 황화수소는 다음과 같은 특성을 나타냅니다. 기적의 영하 70도!

그래핀 배열은 절대 영도보다 1.7도까지 냉각되어야 했지만, 연구진은 그 거동이 큐프레이트의 거동과 유사하다고 생각합니다. 그래서 그들은 이것이 비전통적인 초전도체를 연구하는 데 훨씬 더 쉬운 재료가 되기를 바라고 있습니다. 물리학자. 초전도성은 일반적으로 매우 낮은 온도에서만 발생하기 때문에 초전도체는 MRI 기계와 같은 값비싼 기계에만 사용됩니다. 과학자들은 언젠가 실온에서 작동하여 냉각이 필요 없어 비용을 절감할 수 있는 초전도체를 발견할 수 있기를 바라고 있습니다. 단위.

~ 안에 2019년에 발표된 연구, 연구원들은 특정 "마법의" 각도로 그래핀 층을 비틀면 이전보다 낮은 온도에서 초전도 특성을 생성할 수 있는 방법을 보여주었습니다.

모기 방어

가려움증을 갖고 말라리아와 같은 끔찍한 질병을 퍼뜨리는 경향이 있는 모기만큼 역겨운 생물도 없습니다. 다행히도 브라운 대학의 연구자들은 그래핀을 사용하여 가능한 솔루션을 발견했습니다. 연구, 2019년에 출판됨, 피부의 그래핀 필름은 모기가 무는 것을 차단할 뿐만 아니라 애초에 모기가 피부에 닿는 것도 억제한다는 것을 보여줍니다. 한 가지 가능한 설명은 그래핀이 모기가 먹이 냄새를 맡는 것을 방지했다는 것입니다.

그래핀 연구의 미래

그래핀의 장점이 끝없이 나열되어 있는 것을 고려하면 어디에서나 볼 수 있을 것으로 예상됩니다. 그렇다면 그래핀이 널리 채택되지 않은 이유는 무엇입니까? 대부분의 경우와 마찬가지로 돈이 문제입니다. 그래핀은 여전히 ​​대량 생산에 매우 비용이 많이 들기 때문에 대량 생산이 필요한 모든 제품에서의 사용이 제한됩니다. 더욱이, 큰 그래핀 시트를 생산할 때 재료에 작은 균열이나 기타 결함이 나타날 위험이 증가합니다. 아무리 놀라운 과학적 발견이라도 성공 여부는 항상 경제학에 의해 결정됩니다.

생산 문제는 제쳐두고, 그래핀 연구는 결코 둔화되지 않습니다. 그래핀이 처음 발견된 맨체스터 대학을 포함하여 전 세계의 연구 실험실에서는 그래핀을 만들고 사용하는 새로운 방법에 대한 특허를 지속적으로 제출하고 있습니다. 유럽연합은 2013년에 전자제품에 사용하기 위한 그래핀 연구에 자금을 지원하는 주요 프로그램에 대한 자금 지원을 승인했습니다. 한편, 삼성을 비롯한 아시아의 주요 기술 기업들은 그래핀에 대한 연구를 진행하고 있습니다.

혁명은 하루 아침에 일어나지 않습니다. 실리콘은 19세기 중반에 발견되었지만 실리콘 반도체가 컴퓨터의 발전을 위한 길을 닦는 데는 거의 100년이 걸렸습니다. 거의 신화적인 특성을 지닌 그래핀이 인류 역사의 다음 시대를 이끄는 자원이 될 수 있을까요? 단지 시간이 말해 줄 것이다.

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