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- 지르코늄-하프늄 산화물과 이트륨-니오븀 산화물의 두 가지 금속 산화물의 혼합물로 구성
- Zr 함량이 90~10%인 하프늄을 사용하면 상전이 중에 물질이 폭발
- 100% 지르코늄을 함유한 세라믹, 냉각되면서 덩어리가 점차 미세한 분말로 분해
- 새로운 강유전체 세라믹의 전망, 작은 온도 차이에서 전기를 생성

폭발하는 세라믹
과학자들은 특이한 특성을 가진 세라믹 재료를 개발했다.

내성 또는 위험:
과학자들은 폭발성, 부서지기 쉽고 혹은 냉각될 때 되돌릴 수 있는 세라믹 재료를 개발했다. 사용된 금속 산화물 내의 혼합 비율은 발생하는 특성에 결정적이다. 연구원들은 원래 네이처(Nature) 저널에 보고된 바와 같이 형상 기억을 가진 세라믹을 개발하려고 시도했다. 

 

▲ 이 세라믹 조각은 가열되면 자발적으로 폭발한다. © Jascha Rohmer

커피 컵이든 욕실 타일이든 상관없이 세라믹은 단단하지만 대부분 깨지기 쉽고 변형되지 않는다. 그러나 그들은 매우 내열성이 있다. 반면에 매우 유연하고 큰 응력을 견딜 수 있는 형상 기억 합금이 있다. 예를 들어 의료 스텐트에 사용되며 가역적, 즉 가역적 프로세스 및 변형을 겪을 수 있다.

참신한 도자기

독일과 미국 과학자들로 구성된 팀은 이제 이러한 특성이 결합된 재료를 생산하는 데 성공했다. 일련의 실험에서 그들은 다양한 세라믹 구성을 테스트했으며 그중 일부는 냉각될 때 매우 모순되는 행동 패턴을 보였다. 특별한 혼합 비율은 또한 가역적인 과정을 보여주었다. 형상기억이 있는 세라믹 재료를 제조하는 것은 미래에 도움이 될 수 있다.

연구의 선임 저자인 미네소타 대학의 리챠드 제임스(Richard James)는 "이것은 완전히 새로운 종류의 기능성 물질이 될 것"이라며 "고온이나 부식성 환경에서 작동하는 형상 기억 액추에이터가 크게 필요하다"고 말했다. 

▲ ZrO2 기반 세라믹은 상전이(위) 동안 자발적으로 분말로 분해되거나 결정 구조를 변경할 수 있다. © Jascha Rohmer

지르코늄과 하프늄

연구원들이 조사한 세라믹은 지르코늄-하프늄 산화물과 이트륨-니오븀 산화물의 두 가지 금속 산화물의 혼합물로 구성됐다. 지르코늄 대 하프늄의 비율은 생성된 재료가 특정 특성을 갖도록 다양했다. 초점은 소위 운동학적 호환성에 있었다. 결정이 가열되거나 냉각되면 원자의 격자 배열이 다른 여러 단계를 거친다. 운동학적 호환성은 두 결정상이 서로 얼마나 잘 적응하는지를 설명한다.

새로 개발된 세라믹은 조사 중에 몇 가지 놀라움을 일으켰다.
이론적으로 높은 운동학적 호환성이 예측된 구성은 냉각 시 일부 극단적인 방식으로 반응했다. 예를 들어, 지르코늄 함량이 90~10%인 하프늄을 사용하면 상전이 중에 물질이 폭발해 크기가 불과 몇 밀리미터에 불과했던 세라믹 덩어리가 몇 센티미터 공중으로 날아갔다.

▲ 확장 데이터 그림 1 미세 구조 및 입자 크기. (a) 샘플 y = 0.5의 단사정 쌍정 적층 미세구조를 가진 SEM 이미지로, 소결 직후의 처리되지 않은 샘플 표면을 보여주고, (b) 동일한 샘플의 파단된 표면을 보여줍니다. (c) 결정립 경계에서 분리를 나타내는 위핑 샘플의 일반적인 변형 물질. (출처: 관련논문 Exploding and weeping ceramics)

Weeping(위핑) 세라믹
*위핑weeping : 증류등의 물질이동 조작을 하는 다공판 탑에서 선반(tray)을 통과하는 증기 속도가 작아지면 선반 위에 고인 액이 다공판의 구멍을 새어 하단에 되돌아가는 현상
100% 지르코늄을 함유한 세라믹은 또 다른 매혹적인 거동을 보여주었다.
냉각되면서 덩어리가 점차 미세한 분말로 분해됐다. 과학자들은 이 과정을 "Weeping"이라고 불렀다. 이러한 결과에 따르면, 이론적인 운동학적 적합성은 과학자들이 가역적 특성을 가진 세라믹을 찾는 데 좋은 척도로 입증되지 않았다.

따라서 다른 세라믹 혼합물의 경우 격자의 등거리라는 다른 기준에 의존한다.
이것이 높을수록 격자 구조 내의 거리가 더 일정하다. 예를 들어 지르코늄 대 하프늄 비율이 45 대 55인 이러한 방식으로 설계된 세라믹은 가역적 프로세스를 보여주었다. 형상 기억 재료와 유사하게 가열 및 냉각 중에 서로 다른 단계 사이를 쉽게 앞뒤로 전환할 수 있다.

다양한 애플리케이션

"우리의 결과는 화학적으로 균질한 세라믹 시스템에서 다양한 거동이 가능하다는 것을 보여준다. 한 극단에서는 가역적이며 다른 극단에서는 폭발적이다"고 연구원들은 말한다. "이러한 개념은 형상 기억을 가진 산화물 세라믹에 대한 현재 검색에서 중요한 것으로 증명될 ​​수 있다.“

구조의 근본적인 가역성 외에도 과학자들은 새로운 재료의 또 다른 가능한 응용에 관심이 있다. “우리를 가장 흥분시키는 것은 새로운 강유전체 세라믹의 전망이다. 이 재료를 사용하면 상전이를 사용하여 공정에서 발생하는 작은 온도 차이에서 전기를 생성할 수 있다”고 James는 말했다.
(Nature, 2021; doi: 10.1038 / s41586-021-03975-5)
출처: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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