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기공 많아지면 더 튼튼해지고 스스로 치유되는 금 소재 나왔다

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기공 많아지면 더 튼튼해지고 스스로 치유되는 금 소재 나왔다

2020.08.23 12:00
김주영 교수 연구팀. 김주영 교수(왼쪽 두번째)와 곽은지 박사(제1저자, 오른쪽에서 두번째). UNIST 제공.
김주영 교수 연구팀. 김주영 교수(왼쪽 두번째)와 곽은지 박사(제1저자, 왼쪽에서 세번째). UNIST 제공.

국내 연구진이 부러진 뒤에도 다시 붙는 ‘자가 치유 능력’을 지닌 금 소재를 개발했다. 나노 크기의 구멍을 금 내부에 아주 작게 만들어 강도가 높고 가벼운 소재다. 

 

울산과학기술원(UNIST)은 김주영 신소재공학부 교수 연구팀이 3차원 나노 다공성 금 소재를 개발했다고 23일 밝혔다. 다공성 금 소재 내부의 기공을 작게 만드는 방법을 이용해 쉽게 부서지는 다공성 소재의 단점을 해결한 것이다. 

 

물질 내부에 미세한 구멍을 많이 만들면 반응이 일어날 수 있는 표면적이 넓어진다. 나노 다공성 금 소재도 내부에 수십 나노미터(nm, 10억분의 1미터) 크기의 작은 구멍이 촘촘히 있는 구조를 갖는다. 넓은 표면적 때문에 반응성이 좋아 센서나 전극재료, 촉매 등으로 활용될 수 있다. 

 

또 공기로 채워져 있어 무게가 가볍고 금의 인체 친화 특성 때문에 생체 재료로도 사용할 수 있다. 그러나 소재 자체가 갖는 다공성 구조로 작은 변형에서 쉽게 균열이 일어나 활용에 제약이 있었다. 

 

연구팀은 기공을 25 나노미터 크기로 줄여 오히려 더 튼튼하고 잘 부서지지 않는 다공성 금 소재를 개발했다. 일반적으로 기공 수가 많아지면 강도가 떨어지지만 이번에 개발된 소재는 크기가 작은 기공이 조밀하게 있어도 강도가 높은 것으로 분석됐다. 부러진 이후에도 스스로 달라붙는 능력이 있어 파손된 후 강도가 처음의 약 50%까지 회복된다. 

 

연구팀은 추가 실험을 통해 강도가 높은 원인과 자가 치유 과정을 밝혔다. 확산을 통해 움직인 금 원자가 파손된 단면을 메우게 되는데 이때 기공이 작아지면 표면에 노출되는 금 원자 비율이 높아져 원자가 잘 확산된다. 또 메워지는 단면의 형태가 매우 뽀죡해서 자가 치유 현상이 활성화됐다. 

 

개발된 소재는 다공성 소재의 장점과 금의 장점을 모두 갖췄다. 기공이 전체 부피의 70%를 차지해 가벼우며 일반 금에 비해 표면적은 10만배 이상 넓다. 전기전도도가 높고 화학적으로 안정하고 생체에도 적합했다.

 

김주영 교수는 “나노 다공성 금은 화학적으로 안정적이며 인체에 무해한 소재”라며 “이번 연구로 쉽게 부서진다는 약점을 극복한 만큼 다양한 분야로 활용될 것”이라고 말했다. 연구결과는 국제학술지 ‘나노레터스’ 8월 14일자 온라인판에 게재됐다. 

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