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기사입력 : 2023.09.14 13:03
- 휴대폰 케이스부터 미사일까지 다방면 사용
- 분자 결합까지 시간 많이 걸리는 단점 보완에 최선
미국 샌디아 국립연구소(Sandia National Laboratories)의 연구팀이 내구성을 높인 획기적인 분자 구조를 개발했다. 일반적으로 열을 가하면 팽창하는 대부분의 재료와 달리, 이 새로운 분자는 열을 가할 경우 수축한다는 놀라운 특성을 보인다.
과학 및 기술 전문 매체 '사이테크데일리(SciTechDaily)'에 따르면, 이 연구팀이 개발한 분자는 폴리머와 결합될 경우 뛰어난 내구성을 발휘한다. 이러한 특성 덕분에 휴대폰 케이스부터 미사일에 이르기까지 다양한 분야에서 활용 가능성이 높아 보인다.
폴리머는 작은 분자들이 결합해 만들어진 고분자로, 섬세한 구성 요소를 보호하는 이상적인 재료로 알려져 있다. 그러나 재료가 오래 사용되거나 다양한 환경에 노출될 경우 성능이 저하되는 문제가 있다. 이와 관련해 대부분의 물질이 가열될 때 팽창하고, 냉각될 때 수축하는 반면, 이 새로운 분자는 그렇지 않다. 일반적으로 폴리머는 가장 높은 팽창률과 수축률을 보이며, 금속이나 세라믹은 상대적으로 낮은 수준을 보인다.
샌디아 연구팀의 이번 발견은 물질의 온도에 따른 변화율을 조절할 수 있는 새로운 가능성을 열어놓았다. 이로써 다양한 산업 분야에서의 응용이 기대된다.
샌디아 연구팀을 이끄는 재료 과학자 에리카 레드라인(Erica Redline)은 "많은 제품들이 플라스틱, 유리, 금속 등 여러 재료로 구성되어 있는데, 이 재료들이 서로 다른 속도로 팽창하거나 수축하기 때문에 시간이 지날수록 제품이 갈라지거나 뒤틀리는 현상이 발생한다"고 지적했다.
레드라인은 이 문제점을 극복하기 위한 새로운 아이디어를 생각하게 되었고, 그 아이디어를 팀원들과 함께 실제로 구현하는 데 성공했다고 말했다.
그는 "우리 팀은 고분자와 잘 결합하면서 그 특성을 바꿀 수 있는 새로운 분자를 개발했다. 이 분자는 흥미롭게도 가열될 때 팽창하는 대신 수축하는 특징을 가진다"고 설명했다.
레드라인은 "이 분자를 폴리머에 첨가하면, 폴리머의 팽창과 수축이 금속과 유사한 수준으로 조절되게 된다. 실제로 금속과 같은 특성을 갖게 만든 이 분자의 개발은 큰 도전이었다"고 강조했다.
이 새로운 분자는 다양한 방식으로 활용될 수 있는 잠재력을 보여주고 있다. 폴리머는 전자부터 통신 시스템, 태양광 패널, 자동차 부품, 인쇄 회로 기판, 항공우주 응용, 국방 시스템, 바닥재 보호 코팅에 이르기까지 광범위한 분야에서 사용되는데, 이 분자가 그 활용성을 더욱 확장시킬 것으로 보인다.
화학 엔지니어인 제이슨 더거(Jason Dugger)는 "이 분자는 국방 시스템에서 특히 큰 잠재력을 발휘할 것"이라며 미래의 혁신을 위한 길을 열 것으로 기대하고 있다.
더거는 또 3D 프린팅 분야에서의 활용성에 대해서도 언급했다. 그는 "하나의 영역에서는 특정한 열적 반응을 보이는 반면, 다른 영역에서는 다른 열적 반응을 보이게끔 인쇄하는 것이 가능하다"며 "재료의 무게를 줄일 수 있어 위성 등에도 적용될 수 있다"고 덧붙였다.
또한, 한 에폭시 제조 회사가 이 분자를 접착제로 활용하려는 시도를 했다는 소식이 전해졌다.
물론, 이 기술에도 단점이 있다. 유기 화학자 샤드 스티커(Chad Staiger)에 따르면, 7~10그램(g)의 분자를 합성하는데 약 10일이 소요된다. 이런 점은 대량 합성 시에 추가적인 시간과 비용이 들 수 있다는 것을 의미한다.
현재 연구팀은 시장에 출시될 제품을 준비하는 과정에서 10만 달러(한화 약 1억3276만원)를 투자해 분자 합성 시간을 단축시키는 연구에 집중하고 있다. 이 분자의 활용 가능성은 무궁무진해 보인다.
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