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[표지로 읽는 과학] ‘찌릿’ 열 쇼크로 탄생한 나노 합금

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2018년 03월 31일 16:30 프린트하기

-SCIENCE 제공
-SCIENCE 제공


작고 알록달록한 알사탕들이 커다란 구를 이루고 있다. 구 주변에는 번개가 치듯 불꽃이 튄다. 알사탕은 색깔에 따라 각각 개별 금속 원자를, 불꽃은 금속 원자들에 주어진 전기 충격을 나타낸다. 

 

이번 주 사이언스지 표지는 전기적 충격으로 서로 다른 8개의 금속 원자가 균일하게 뭉쳐진 합금 나노 입자가 장식했다. 2가지 이상의 금속으로 합금을 만들면 재료로 사용한 금속의 기존 성질과는 다른 새로운 특성을 나타낸다. 예를 들어 구리에 주석을 더해 만든 청동은 구리에 비해 더 단단하다. 인류는 청동으로 다양한 도구를 만들어 문명을 발전시켰다. 

 

보다 ‘쓸모 있는’ 합금을 만들기 위한 노력은 지금도 이어지고 있다. 전통 합금이 아닌 새로운 ‘고엔트로피 합금(High Entropy Alloy, HEA)’이다. 전통적인 합금은 청동의 구리처럼 구성하는 금속 원소가 한 쪽으로 치우쳐져 있다. 그러나 고엔트로피 합금은 모든 금속 원소가 거의 동일한 양 만큼 합쳐져 있다. 

 

이런 고엔트로피 합금은 온도가 낮아질수록 강도나 연성이 높은 특성이 있지만, 탄성이 낮은 등 물리적인 한계가 있다. 따라서 구조 재료 등의 활용보다 연구를 위한 목적으로 많이 만들어진다. 실제로 최근에는 초전도 특성 연구 등에 활용되고 있다. 

 

탄소 열 충격(Carbothermal Shock, CTS) 방법으로 만든 나노 스케일의 합금 제조법. -SCIENCE 제공
열탄소 충격(Carbothermal Shock, CTS) 방법으로 만든 나노 스케일의 합금 제조 과정. -SCIENCE 제공

 

5가지 이상의 금속 원소를 합성해 고엔트로피 합금을 만들기란 쉽지 않다. 새로운 특성을 나타내는 합금을 만들기 위해서는 유사성이 적은 금속들을 더해 화합물을 만들어야 하기 때문이다. 과학자들은 물리, 화학적인 다양한 시도를 통해 합금을 만들어 왔다.

 

미국 메릴랜드대학 재료과학 및 공학과 용강 야오(Yonggang Yao) 박사 연구팀은 8개 금속 원소를 합쳐 고엔트로피 합금을 만드는 데 성공했다. 8개 금속 원소는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 금(Au), Cu(구리), Sn(주석) 등이다.

 

연구팀은 8개 금속 원소가 섞인 화합물에 전기 충격으로 열을 가했다. 이후 전도성 있는 탄소 지지체 위에 올려 빠르게 냉각시켰다. 탄소지지체는 합금이 고체화되는 동안 결정 성장, 유착 등을 막아 안정적인 합금이 되도록 한다. 

 

연구팀은 이런 합금 제조 방식을 열탄소 충격(Carbothermal Shock, CTS)이라고 명명했다. 논문을 통해 연구팀은 “CTS 방법이 나노 크기의 금속 연구를 위한 우수한 플랫폼이 될 것”이라고 말한다. 


이혜림 기자

pungnibi@donga.com

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