(With wall thicknesses of about 160 nanometers, a closed-cell, plate-based nanolattice structure designed by researchers at UCI and other institutions is the first experimental verification that such arrangements reach the theorized limits of strength and stiffness in porous materials. Credit: Cameron Crook and Jens Bauer / UCI)
탄소 원자가 단단히 결합한 다이아몬드는 지구상에서 가장 단단한 물질입니다. 하지만 과학자들은 사실 빈틈 없이 탄소가 배열된 것보다 입체적인 격자 구조로 배열된 구조물이 무게 대비 강도가 훨씬 강할 것으로 예상했습니다. 다만 이런 구조물을 인위적으로 만들기 어려웠습니다. 캘리포니아 대학 (University of California, Irvine)의 연구자인 젠스 바우어(Jens Bauer)와 카메론 크룩 (Cameron Crook), 그리고 로렌조 발데빗(Lorenzo Valdevit) 교수는 복잡한 미세 3D 레이저 프린팅 기술을 이용해 3차원 나노래티스 (nanolattice) 탄소 구조물을 만들었습니다. (사진)
연구팀은 두께가 160nm에 불과한 탄소 나노구조판을 서로 교차시켜 지지하는 방식으로 강도(strength)는 639%, 강성 (rigidity)은 522% 증가시켰습니다. 연구팀은 다이아몬드보다 더 단단한 나노구조라고 소개했습니다. 이런 구조가 당연히 무게 대비 강도나 강성이 매우 강할 것이라는 점은 쉽게 예측할 수 있지만, 초미세 구조를 실제로 만드는 일은 쉽지 않습니다. 연구팀은 이중 양자 폴리머화 직접 레이저 기록 two-photon polymerization direct laser writing이라는 상당히 복잡한 이름을 지닌 기술로 이 문제를 극복했습니다.
기본적인 방법은 액체 합성수지에 강력한 빛을 쬐는 방식으로 3차원 구조물을 만드는 3D 프린팅 기법이지만, 나노미터 단위의 초미세 구조물을 만드는 만큼 방법이 예사롭지 않습니다. 자외선 민감 수지 (ultraviolet-light-sensitive liquid resin)에 레이저를 이용해서 두 개의 광자를 교차하게 하고 여기서 수지를 굳히고 이후 섭씨 900도에서 열처리를 거쳐 격자 모양의 탄소 나노구조물을 만드는 방식입니다.
비록 산업적인 규모로 대량 생산이 가능할지는 아직 단언하기 힘들지만, 만약 가능하다면 우주 항공 산업에서 새로운 혁신을 일으킬 것으로 기대됩니다. 다만 이런 나노 구조를 지닌 큰 부품을 만드는 일이 그렇게 간단하지는 않을 것으로 생각됩니다.
참고
Cameron Crook et al. Plate-nanolattices at the theoretical limit of stiffness and strength, Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-15434-2
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