“내가 세상에서 가장 가벼워”...99.9%가 공기

“내가 세상에서 가장 가벼워”...99.9%가 공기

99.9%가 공기로 이루어진 ‘세상에서 가장 가벼운 물질’이 독일 과학자들에 의해 개발됐다. 
  
어드밴스트머티리얼즈,사이언스닷컴,뉴사이언티스트 등은 19일 독일 킬대와 함부르크공대 과학자들이 나노급 및 마이크로급 기공성 카본튜브를 이용해 세상에서 가장가벼운 합성물질을 만들어내는데 성공했다고 전했다. 
  
에어로그래파이트(Aero-graphite)로 불리는 이 물질의 무게는 우리 주변에서 흔히 발견되는 스티로폼 무게의 75분의 1이다. 또 6개월 전 등장한 지금까지 만들어진 가장 가벼운 물질이었던 니켈카본튜브 물질과 비교해도 4분의 1 무게에 불과하다. 
  
산화아연을 처리해 만든 에어로그래파이트의 무게는 입방센티미터(1㎤ )당 0.2밀리그램(0.2㎎ /1㎤ )이다. 이 물질은 현미경으로 보면 아주 가는 탄소 튜브가 얽히고 설킨 스펀지 모양, 즉 공기구멍 벽(porous walls) 구조로 돼 있다. 

▲ 세상에서 가장 가벼운 물질 에어로그래파이트. 기존 니켈나노튜브에 비해 4분의 1 무게다. 스티로폼 무게의 75분의 1에 불과하다.에어로그래파이트위에 물방울이 올려져 있다. 자기 무게의 4만배를 견디며 95%의 복원력을 가진다.<사진=킬대>

  
라이너 아델룽 킬 대학교수는 “에어로그래픽은 바람이 불면 떨어지는 담쟁이 넝쿨에 쳐진 거미줄로 생각하면 된다.”고 설명했다. 
  
에어로그라파이트는 이처럼 가벼운데도 불구하고 자기 무게의 4만배 이상을 버틸 수 있을 정도로 강하고 압축 등에 강하며 이 경우 95%의 복원력을 보인다. 또하나 주목할 만한 것은 리튬이온배터리를 대체할 미래 전기자동차용 배터리의 핵심물질이 될 전망이라는 점이다. 
  
이전까지 지구상에서 가장 가벼운 물질 또한 니켈 나노튜브로 만든 물질<사진 아래>이었지만 기공성을 갖지는 않았다. 
  

▲ 6개월전에 개발된 니켈 나노튜브는 깃털만큼 가벼운 물질이었다.하지만 이제 세계에서 가장 가벼운 물질의 자리를 에어로그래파이트에게 물려주게 됐다.

마르님 슈카르드 킬 대 연구원은 “지금까지 지구상에서 가장 가벼운 물질은 6개월 전 일반에 공개된 니켈물질이었는데 이 또한 작은 튜브로 구성돼 있었다. 니켈만이 탄소보다 큰 원자질량을 가지고 있다. 우리는 기공 벽(porous walls)구조를 가지고 튜브를 통해 이 엄청나게 가벼운 물질을 만들 수 있었다”고 말했다. 
  
과학자들은 이 산화아연을 900°C까지 가열해 수정구조로 만든 후 이를 알약형태로 만들었다. 공기구멍 성질을 가지고 있는 이 알약형태의 물질 내부는 테트라(4를 뜻하는 접두사)폿(Tetrapod)이라고 불리는 나노튜브 및 마이크로튜브 형태의 물질로 구성돼 있다. 
  
이들은 이 알약을 화학증착을 위해 반응기에 넣어 760°C까지 가열하면서 반응로에 넣어 약간의 그래파이트를 만들어내는데 성공했다. 

 

슈카르드 연구원은 “가스 속의 증착과정에서 산화아연은 카본이 풍부해지면서 몇 개의 원자층만을 갖는 그래파이트 코팅이 된다. 이는 에어로그래파이트의 얽힌 거미줄구조를 형성한다. 이와동시에 수소가 들어와 산화아연속의 산소와 반응하며 이는 증기와 아연가스를 방출한다”고 설명했다. 

 

그는 “더 빨리 아연을 빼낼수록 더 많은 기공성 튜브벽을 형성시킬 수 있게 돼 더 가벼운 물질을 만들 수 있게 된다”고 밝혔다. 

▲독일 킬대와 함부르크대가 개발한 에어로그래파이트의 모습은 흡사 담배연기처럼 보인다.

▲에어로그래파이트는 이처럼 지름 15나노미터인 테크라폿 나노튜브 구조를 가지고 있다.

에어로그래파이트는 거의 완전히 광선을 흡수하며 안정적이고 도전성을 갖고 있으며 늘릴 수 있는 성질까지 갖추고 있다. 또한 탄성이 있으며 압력에도 잘 견딘다. 과학자들은 에어로그래파이트의 이런 특징이 전기자동차나 전기자전거용 리튬이온전지를 대체할 수 있을 것으로 보고 있다. 

 

에어로그래파이트의 진동에 강한 성질을 갖고 있어 항공기와 위성 제작용 물질로도 사용될 수 있을 것으로 예상되고 있다. 또한 정수기용 오염물질 흡수제로도 사용될 전망이다.  

출처: zdnet