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조지아 공과대학(Georgia Institute of Technology)의 연구진은 벌크 합금을 산화물 나노와이어로 전환시킬 수 있는 저렴한 기술을 개발했다. 이 연구결과는 경량 구조 복합재, 첨단 센서, 전자 장치, 강력한 배터리 멤브레인 등과 같은 다양한 분야에 새로운 길을 열어줄 수 있을 것이다. 이 기술은 나노와이어 다발을 형성하기 위해서 이종금속 합금의 용매 반응을 사용했다. 이 프로세스는 촉매, 독성 화학물질 등을 사용하지 않고, 대기 온도와 대기압에서 수행되었다. 생성된 나노와이어는 기능성 재료 및 복합재의 전기적, 열적, 기계적 특성을 향상시키는데 사용될 수 있다. 이 프로세스는 대기 조건에서 벌크 분말을 나노와이어로 전환시키는 최초의 사례이다. 이 기술은 벌크 재료를 적절한 용매에 집어넣고, 몇 시간 후에 나노와이어를 수집할 수 있다. 이 기술은 저렴한 1차원 나노물질을 대량으로 제조하는데 새로운 길을 열어줄 수 있을 것이다. 이번 연구진은 알코올 등의 용매를 사용해서 리튬-마그네슘 합금과 리튬-알루미늄 합금으로부터 산화물 나노와이어를 제조했다. 나노와이어 구조는 용매와 처리 조건에 따라서 변화시킬 수 있다. 이 구조는 수십 나노미터에서 마이크론 크기까지 직경을 조절할 수 있다. 또한 온도와 압력에 따라서 반응 제품의 부피 변화, 표면 에너지, 반응성, 용해성을 조절할 수 있었다. 가장 매력적인 응용 분야로서 리튬 이온 배터리의 분리막이 될 것이다. 배터리 속에 사용되는 폴리머 분리막은 고온을 견딜 수 없다. 그래서 화재와 폭발을 유발할 수 있고, 결함과 에러를 피하기가 매우 어렵다. 이번 연구진이 개발한 방법은 분리막이 고온에 견딜 수 있게 한다. 세라믹 나노와이어로 만들어진 저가의 종이 멤브레인을 사용함으로써 이 구조는 강하고 열적으로 안정적이며 유연했다. 또한 이 재료는 극성을 가지기 때문에 다양한 배터리 전해질 용액에 쉽게 젖는 특성을 가진다. 나노와이어는 한 개의 반응성과 한 개의 비-반응성 금속(예를 들어, 리튬과 알루미늄, 마그네슘과 리튬)으로 구성된 합금으로 만들어진다. 이 합금은 에탄올과 같은 적절한 용매 속에 삽입된다. 반응성 금속(리튬)은 용액 상태에서 표면으로 용해된다. 벌크 알루미늄이 부동태 층의 형성 때문에 알코올과 반응하지 않지만, 리튬의 연속 용해는 부동태화를 막고 알루미늄 알콕시드(aluminum alkoxide) 나노와이어를 형성한다. 그 후에 알콕시드 나노와이어는 알루미늄 산화물 나노와이어를 형성하기 위해서 공기 중에 가열되고 종이 같은 시트가 형성된다. 용해된 리튬은 회수되어 재사용될 수 있다. 용해 공정은 수소 가스를 발생시킨다. 이번 연구진은 지금까지 나노와이어를 실험실 양으로 생산했지만, 확장 가능해서 대량으로 제조될 수 있을 것이라고 믿고 있다. 아직 많은 변수들이 남아 있지만, 기존 기술에 비해서 제조비용을 몇 배까지 낮출 수 있을 것으로 예상된다. 이 연구는 에너지 수집, 촉매 지지체, 센서, 플렉서블 전자장치, 경량 구조 복합재, 건축 자재, 전기 절연재 및 단열재, 절삭 공구에 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 향후에 기계적 특성을 추가적으로 향상시킨다면, 저비용 세라믹 분리기 기술은 배터리 분야에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 이 연구결과는 저널 Science에 ldquo;Transformation of bulk alloys to oxide nanowires rdquo; 라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1126/science.aal2239). |
