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Jul 01, 2023

새로운 나노튜브 섬유는 강도, 전도성, 유연성의 탁월한 조합을 가지고 있습니다(비디오 포함)

2013년 1월 10일 기준

2013년 1월 10일

라이스 대학교

(Phys.org)—Rice University의 최신 나노기술 혁신은 제작에 10년 이상이 걸렸지만 여전히 충격을 안겨주었습니다. 라이스(Rice), 네덜란드 기업 테이진 아라미드(Teijin Aramid), 미 공군, 이스라엘 테크니온 연구소(Technion Institute)의 과학자들은 이번 주 직물 실처럼 보이고 작용하며 금속 와이어처럼 전기와 열을 전도하는 새로운 탄소 나노튜브(CNT) 섬유를 공개했다. 이번 주 사이언스(Science) 호에서 연구자들은 다양한 면에서 상업적으로 이용 가능한 고성능 소재보다 성능이 뛰어난 실 모양의 섬유를 제조하기 위한 산업적으로 확장 가능한 프로세스를 설명합니다.

"우리는 마침내 다른 물질에는 존재하지 않는 특성을 가진 나노튜브 섬유를 갖게 되었습니다"라고 Rice 대학의 화학 및 생체분자 공학 및 화학 교수인 수석 연구원 Matteo Pasquali가 말했습니다. "검은색 면사처럼 보이지만 금속 와이어와 강한 탄소 섬유처럼 거동합니다."

연구팀에는 Rice의 학계, 정부 및 산업 과학자가 포함되어 있습니다. 네덜란드 아른헴에 위치한 Teijin Aramid 본사; 이스라엘 하이파에 있는 Technion-Israel Institute of Technology; 그리고 오하이오 주 데이턴에 있는 공군 연구소(AFRL)가 있습니다.

Teijin Aramid의 사업 개발 관리자인 공동 저자인 Marcin Otto는 "새로운 CNT 섬유는 최고의 흑연 섬유에 가까운 열 전도성을 가지면서 전기 전도도는 10배 더 높습니다."라고 말했습니다. "흑연 섬유는 부서지기 쉬운 반면, 새로운 CNT 섬유는 직물 실만큼 유연하고 견고합니다. 이러한 특성의 결합으로 항공우주, 자동차, 의료 및 스마트 의류 시장을 위한 고유한 기능을 갖춘 신제품이 탄생할 것으로 기대합니다."

탄소 나노튜브의 경이로운 특성은 1991년 발견된 순간부터 과학자들을 매료시켰습니다. 순수 탄소로 이루어진 속이 빈 튜브는 DNA 가닥만큼 넓으며 무게는 6분의 1에 불과한 강철보다 약 100배 더 강합니다. 전기와 열 모두에 대한 나노튜브의 전도성 특성은 최고의 금속 전도체와 맞먹습니다. 또한 광 활성화 반도체, 약물 전달 장치, 심지어 기름을 흡수하는 스폰지 역할도 할 수 있습니다.

불행하게도 탄소나노튜브는 나노물질의 원조이기도 합니다. 뛰어난 잠재력에도 불구하고 작업하기가 어렵습니다. 우선, 대량의 나노튜브를 생산할 수 있는 수단을 찾는 데 거의 10년이 걸렸습니다. 과학자들은 또한 수십 가지 유형의 나노튜브가 있으며 각각 고유한 재료와 전기적 특성을 가지고 있다는 사실을 일찍부터 알게 되었습니다. 엔지니어들은 아직 한 가지 유형만 생산할 수 있는 방법을 찾지 못했습니다. 대신, 모든 생산 방법은 종종 털뭉치 같은 덩어리로 다양한 유형을 생산합니다.

이러한 나노튜브 덩어리로부터 대규모 물체를 만드는 것은 어려운 일이었습니다. 사람 머리카락 굵기의 1/4도 안 되는 실 모양의 섬유에는 수천만 개의 나노튜브가 나란히 포장되어 있습니다. 이상적으로 이러한 나노튜브는 상자 안의 연필처럼 완벽하게 정렬되어 단단히 포장됩니다. 일부 연구실에서는 이러한 섬유를 전체적으로 성장시키는 방법을 모색했지만 이러한 "고체" 섬유의 생산 속도는 "습식 방사"라는 화학 공정에 의존하는 섬유 생산 방법에 비해 상당히 느린 것으로 나타났습니다. 이 과정에서 원시 나노튜브 덩어리가 액체에 용해되어 작은 구멍을 통해 분출되어 긴 가닥을 형성합니다.

2000년 Rice에 도착한 직후 Pasquali는 나노기술의 선구자이자 Rice의 Smalley 나노규모 과학 기술 연구소의 이름을 딴 Richard Smalley와 함께 CNT 습식 방사 방법을 연구하기 시작했습니다. 2003년, 그가 갑작스럽게 죽기 2년 전, Smalley는 Pasquali 및 동료들과 협력하여 최초의 순수 나노튜브 섬유를 만들었습니다. 이 작업은 방탄 조끼 및 기타 제품에 사용되는 Teijin의 Twaron과 같은 고성능 아라미드 섬유를 만드는 데 사용되는 방법과 유사한 나노튜브에 대한 산업적으로 관련된 습식 방사 공정을 확립했습니다. 하지만 프로세스를 개선할 필요가 있었습니다. 섬유는 부분적으로 내부에 있는 수백만 개의 나노튜브의 간격과 정렬 불량으로 인해 그다지 강하지도 전도성도 없었습니다.