초다공성 에어로그래핀(Aerographen), 전기 제어로 폭발적인 압축 공기 생성

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-11-17 09:09:20
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- 나노튜브, 그래핀 형태 탄소;초전도체 될 수 있고 다공성 발포체로 강철보다 10배 단단해
- 에어로그래프는 99.9% 공기로 채워진 골격, 전원 공급하면 2ms내에 390도로 가열돼
- 전기가 공급면 공기 갑작스럽고 강하게 부피 팽창. 전원 끄면 그래프가 원상 복귀
- 코끼리 한 마리 들어 올리려면 450g의 그래핀 폼이 필요, 공압 액추에이터 설계 가능

폭발력이 있는 그래핀 폼(Form)
초다공성 에어로그래프, 전기적으로 제어 가능한 폭발적 압축 공기 생성


코끼리를 들어 올릴 수 있는 재료의 무게는 450g에 불과하다.
연구원들은 매우 안정적이고 강력한 압축 공기를 생성할 수 있는 그래핀으로 만든 거품을 만들었다. 이것은 그래핀 튜브의 메쉬가 전원 공급이 가해지면 가열되고 그 안에 포함된 공기가 폭발적으로 팽창하기 때문에 가능하다. 이러한 방식으로 생성된 과압은 예를 들어 복잡한 압축기 기술 없이 초경량 전기 압축 공기 펌프 및 기타 공압 애플리케이션을 설계하는 데 사용할 수 있다. 

▲ 에어로그래핀(Aerographen): 석탄 또는 검은 거품처럼 보이지만 그래핀과 99.9% 공기로 구성돼 있다.

© Julia Siekmann / Universität Kiel


나노튜브 또는 그래핀 형태의 단층 탄소는 오랫동안 재료 중에서 진정한 만능 재료로 여겨져 왔다. 고유한 전기적, 기계적 및 광학적 특성으로 인해 다용도 소재다. 그래핀 이중 층은 단순히 층을 이동함으로써 초전도체가 될 수 있고, 다공성 발포체로서 그래핀은 강철보다 10배 더 단단하지만 공기보다 거의 무겁지 않다.

전류를 통하게 하면 번개처럼 빠른 반응

독일 킬 대학교(University of Kiel)의 파비안 쉬트(Fabian Schütt)와 그의 동료들이 최근 발견한 것처럼 그래핀 폼은 훨씬 더 많은 일을 할 수 있다. 그들은 길이가 25μm(마이크로미터)이고 두께가 2μm인 그래핀 튜브에서 초 증기 "에어로그래프"를 제작했다. 이 튜브는 대략 육각형의 공기로 채워진 공동이 있는 골격을 형성한다. 그 결과 폼과 외부적으로 유사한 이 검은색 그래핀 폼은 99.9%가 공기로 구성되어 있다.

결정적인 요인은 에어로그래프에 전원이 공급되면 순식간에 반응한다는 것이다.
그래핀 폼은 2ms(밀리 초) 내에 실온에서 390도로 가열된다. "실험에서 우리는 그래핀 및 기타 전도성 나노물질로 만들어진 항공 물질이 파괴되지 않고 밀리 초 내에 수백 도까지 전기적으로 가열될 수 있음을 발견했다"고 Schütt는 설명했다.
▲ 이 확대 모델은 그래핀 튜브로 만든 에어로그래프의 구조를 보여준다. © Julia Siekmann / 킬 대학교

전기 제어로 폭발적 반응

연구자들은 이 극도로 빠른 반응의 원인으로 큰 기공과 그래핀의 특별한 열적 특성의 조합을 보고 있다. ‘네트워크 구조’라고 Schütt는 설명한다. 결과적으로 공기는 거의 순간적으로 가열될 뿐만 아니라 그에 따라 팽창한다.

원칙적으로 이것은 그래프와 그 바로 근처에서 번개처럼 빠르고 전기적으로 제어 가능한 일련의 소형 폭발로 이어진다. 전기가 공급되자마자 공기의 갑작스럽고 강한 부피 팽창은 과압을 생성한다. 전원을 다시 끄면 그래프가 마찬가지로 빨리 원래 상태로 돌아간다. 실험에서 이 재료는 팀이 보고한 대로 이미 10만 번의 이러한 주기를 견뎠다.

새로운 압축 공기 펌프 및 액추에이터

결과적으로 에어로그래프는 실제 사용을 위한 완전히 새로운 가능성을 열어준다.
Schütt는 "이제 우리는 화학 반응이 필요 없는 통제되고 반복되는 방식으로 작은 폭발을 일으키기 위해 에어로그래프를 사용할 수 있는 위치에 있다"고 말했다. 이렇게 하면 다른 방법으로 필요한 압축기와 가스 공급 없이 버튼만 누르면 강력한 압축 공기가 제공된다. 이를 통해 예를 들어 이 그래프를 기반으로 새로운 유형의 압축 공기 펌프와 공압 액추에이터를 설계할 수 있다.
▲ 전원이 공급되면 에어로그래프는 밀리초 내에 포함된 공기를 가열한다. © Fabian Schütt / Materials Today

Schuett의 동료인 Florian Rasch는 "공기 재료를 압력 실린더에 넣고 전기로 가열하면 물체를 목표 방식으로 위아래로 움직일 수 있고 공기 분사로 초당 여러 번 움직일 수 있다"고 설명했다. 실험에서 10mg(밀리그램)의 에어로그래프는 거의 즉시 2kg의 무게를 들어 올릴 수 있을 만큼 충분했다. 원칙적으로 코끼리 한 마리를 들어 올리려면 450g의 그래핀 폼만 있으면 된다.

또 다른 장점:
"화학 반응과 대조적으로 이러한 작은 전기 폭발은 매우 구체적으로 제어될 수 있으며 단순히 더 깨끗하다"고 라쉬(Rasch)는 말한다. "우리는 전원 공급 장치의 지속 시간과 강도를 통해 공기 분사의 주파수와 강도를 정확하게 제어할 수 있다. 항공 재료의 극도의 전도성 덕분에 이것은 매우 적은 전기를 필요로 한다.”
(Materials Today, 2021; doi: 10.1016 / j.mattod.2021.03.010)
출처: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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