재료 과학
그래핀에서 골든까지: 고급 단일 원자층 재료는 미래의 발견을 위한 새로운 문을 열다
우리는 모두 금의 가치를 마음속으로 알고 있습니다.毕竟, 그것은 가장 인기 있고 오래된 가치 저장소입니다. 그러나 인간 문명이 달성한 과학적 진보는 이제 우리를 골든의 문턱으로 데려왔습니다. 그리고 그것은 게임 체인저가 될 수 있습니다. 그러나 골든은 무엇일까요? 왜 과학자들은 그것에 대해 इतन 신나하는 걸까요? 더 깊이 살펴보겠습니다.
골든: 단일 원자층으로 구성된 금 시트
스웨덴의 린크핑 대학교의 연구자들은 처음으로 단일 원자층으로 구성된 금 시트를 만들었습니다. 연구자들은 이 파생물을 골든이라고 명명했습니다. 골든은 이산화탄소 전환, 수소 생산, 가치 있는 화학물질 생산 등 다양한 고급 작업에 유용할 수 있습니다.
재료 설계 부문의 연구자인 Shun Kashiwaya는 다음과 같이 말했습니다.
“재료를 매우 얇게 만들면, 그래핀과 마찬가지로, 특별한 일이 일어납니다. 금도 마찬가지입니다. 보통 금은 금속이지만, 단일 원자층으로 구성되면, 금은 반도체가 될 수 있습니다.”
‘골든’은 어떻게 만들어졌을까?
발명은 3차원 기초 재료의 개발로 시작되었습니다. 이 재료는 티타늄과 탄소 사이에 금을 삽입하여 만들어졌습니다. 높은 온도에서, 얇은 티타늄 실리콘 카바이드는 금으로 대체되어 티타늄 골드 카바이드가 발견되었습니다. 그러나 이것은 우연한 발견이었습니다. 연구자들은 전기적으로 전도되는 티타늄 실리콘 카바이드를 금으로 코팅하여 접촉할 수 있도록 하려고 했습니다.
연구자들은 100년 이상 된 일본의鍛造 예술의 구성 요소인 무라카미의 시약을 사용하여 작업을 수행했습니다. 연구자들은 다양한 농도와 시간 동안 이를 사용하여 최종 구성 요소를 얻을 수 있었습니다.
그들이 원하는 두께의 금 시트를 생산할 수 있었지만, 그것을 안정화하는 것이 중요했습니다. 그들은 시트가 말리지 않도록 하는 계면 활성제로 긴 분자를 사용했습니다.
최종 출력과 과학적 검증에 대해 설명하면서, 연구자 중 한 명인 Shun Kashiwaya는 다음과 같이 말했습니다.
“금 시트는 용액에 있습니다. 그것은 우유에 있는 콘플레이크와 비슷합니다. 특정한 ‘체’를 사용하여 금을 수집하고 전자 현미경을 사용하여 우리가 성공했는지 확인할 수 있습니다. 그리고 우리는 성공했습니다.”
골든의 다양한 잠재적 응용
골든의 잠재적 응용은 이산화탄소 전환, 수소 생성, 가치 있는 화학물질 생산, 수소 생산, 물 정화, 통신 등 다양한 분야에 걸쳐 있습니다.
추가 연구에서, 연구자들은 이러한 응용에서 사용되는 금의 양을 줄이고 다른 귀금속으로 대체하는 가능성을 탐구할 계획입니다. 이러한 새로운 화합물은 더 많은 새로운 응용을 가질 수 있습니다.
골든은 과학적 및 기술적 응용에서 많은 새로운 문을 열어줄 것입니다. 그러나 단일 원자층 재료에 대한 과학자들의 관심은 새로운 것이 아닙니다.
단일 원자층 재료의 유혹: 그래핀과 더 나아가
우리가 단일 원자층 재료에 대해 이야기할 때, 우리는 그래핀을 반드시 논의해야 합니다. 그것은 잠재력으로 인해 유명합니다. 그래핀은 石墨의 結晶 형태인 石墨에서 추출되었습니다. 그래핀은 가볍고, 탄력적이며, 강합니다. 그것은 얇은 두께에도 불구하고, 강한 저항을 가지고 있습니다. 그것은 또한 높은 전기 및 열 전도성을 가지고 있습니다.
그래핀은 최근에 연구자들이 첫 번째 기능적인 그래핀 반도체를 성공적으로 시연한 것을 통해 더 많이 논의되고 있습니다. 이 발견은 컴퓨팅과 전자 분야에서 극적인 변화를 가져올 수 있습니다.
그래핀은 가장 인기 있고 널리 사용되는 단일 원자층 재료일 수 있지만, 이 범주에는 여러 다른 예가 있습니다.
단일 원자층 재료는 2D 비층 재료로도 알려져 있습니다.它们는 3차원에서 화학적 결합을 통해 형성되며, 표면에 불포화된 단백질 결합을 유발하여 높은 활성과 높은 에너지 표면을 생성합니다.
그래핀 외에도, 블랙 포스포루스, 즉 포스포렌은 단일 원자층 재료의 예입니다. 기타 비층 재료로는 실리콘과 저만이 있습니다.
층 의존성, 층 경계 효과, 가변 밴드 구조로 인해, 이러한 재료는 종종 고유한 특성을 나타냅니다.它们는 변형이나 전기 필드에 의해 조정될 수 있습니다.
금속 칼코게나이드, 금속 산화물, III-V 반도체, 유기-무기 퍼로브스카이트는 가장 일반적인 단일 원자층 또는 2D 비층 재료 중 일부입니다.
다음은 이러한 재료의 일부 실제 예입니다.
예를 들어, 금속 칼코게나이드에는 몰리브덴 디설파이드(MoS2), 텅스텐 디설파이드(WS2), 텅스텐 디셀레나이드(WSe2)가 포함됩니다. 인듐 산화물(In2O3), 주석 산화물(SnO2), 아연 산화물(ZnO)은 금속 산화물의 주요 예입니다.
III-V 반도체는 그룹 III 원소(알루미늄, 갈륨, 인듐)와 그룹 V 원소(인, 비소, 안티모니)로 구성됩니다. 갈륨 아르세나이드와 인듐 인산은 III-V 반도체의 예입니다.
유기-무기 퍼로브스카이트의 예로는 메틸 암모늄 리드 아이오다이드(MAPbI3)와 포르마미딘 리드 아이오다이드(FAPbI3)가 있습니다.
이러한 재료는 다양한 응용을 가질 수 있습니다. 여러 비즈니스들이 이러한 재료를 기반으로 솔루션을 구축하고 있습니다.
#1. Haydale Graphene Industries
그래핀의 비활성성으로 인해 그것을 채택하기가 어려웠습니다.
Haydale Graphene Industries는 이러한 문제를 해결하기 위해, 분말-분말 공정을 개발했습니다. 이 공정은 그래핀과 다른 나노 재료의 기계적 강도와 전기 및 열 전도성을 향상시킬 수 있습니다.
Haydale은 다양한 그래핀 기반 솔루션을 개발했습니다. 이는 생체 의료 기기, 유연한 전자 제품, 히팅 원소, 웨어러블 기술 등에 사용됩니다.
Haydale은 기능화된 보론 니트라이드, 즉 화이트 그래핀도 제공합니다. 이 합성 세라믹 재료는 비독성이며, 고형과 분말 형태로 존재할 수 있습니다.
Haydale의 기능화된 그래핀과 나노 재료첨가제는 고무 제품 제조에도 효과적입니다. 이는 자전거와 도로 타이어, 신발 고무 밑창, 실, 가스켓 등에 사용될 수 있습니다.
Haydale은 그래핀을 사용하여 유용한 복합체, 열가소성, 태양 전지 절단 도구를 개발했습니다.
최근 Haydale (AIM: HAYD)은 2023년 12월 31일 마감된 연간 실적을 발표했습니다. 보고서에 따르면, 그룹 매출은 38% 증가하여 2,470만 파운드(전년 동기 1,780만 파운드)로 증가했습니다.
#2. Siemens
그래핀 필름의 또 다른 고급 사용 사례는 시멘스의 사이클로트론 구축에서 볼 수 있습니다.
연구자들은 사이클로트론에서 그래핀 필름을 사용하여 추출기를 만들었습니다.
이러한 필름은 탄소와 비교하여 매우 높은 열 전도성을 보였으며, 기계적 강도도 매우 높았습니다. 그들의 수명은 16,000 PA\*H 이상이었습니다. 그래핀 필름의 사용으로 인해 전송 계수가 크게 증가하여 90% 이상이 되었습니다.
이 실험은 단일 원자층 그래핀 필름이 다른 탄소 필름과 어떻게 경쟁할 수 있는지 보여주었습니다.
시멘스는 고급 기술 제품을 제조하는 것으로 잘 알려져 있습니다. 이러한 회사에서 단일 원자층 재료를 사용하는 것은 이 범주의 잠재력을 보여줍니다.
2023년, 시멘스는 196억 유로의 매출을 올렸습니다. 이는 2022년에 기록된 173억 9,000만 유로보다 증가한 것입니다.
단일 원자층 재료에 대한 더 많은 탐색
최근 연구에 따르면, 골든이나 그래핀과 같은 재료 외에도, 단일 원자층 블랙 포스포루스, 즉 포스포렌은 감지 응용에서 독특한 이점을 제공합니다.
포스포렌은 또한 전자 및 광전자 분야에서 상당한 잠재력을 가지고 있습니다.
과학적 간행물에 따르면, 포스포렌의 고유한 전자, 수송, 광전자, 열전, 기계적 특성은 그래핀과 전이 금속 디칼코게나이드와 크게 다릅니다.
포스포렌의 제작과 새로운 나노 디바이스의 설계와 시연이 용이합니다.
또 다른 연구는 그래핀과 포스포렌을 결합하는 이점을 강조했습니다.
그래핀-포스포렌 하이브리드 재료는 리튬 이온 전지의 대안으로서 소디움 이온 전지의 성능과 비교할 수 있습니다.
연구자들은 실험을 통해 이를 입증했습니다. 포스포렌 층을 그래핀 층 사이에 샌드위치 형태로 만든 하이브리드 재료는 0.05 A/g의 전류 밀도에서 2,440 mA h/g의 특정 용량을 보여주었습니다.
또 다른 단일 원자층 재료인 저만은 과학자들의 상상력을 사로잡았습니다.
저만은 주로 광학적 특성으로 인해 관심을 받고 있습니다.
저만은 반도체로, 제로 밴드 갭과 선형 밴드 분산을 가지고 있습니다. 그러나, 편향 전압의 존재로 인해 밴드 갭이 열릴 수 있습니다.
따라서, 골든뿐만 아니라, 그래핀, 포스포렌, 저만 등 다양한 단일 원자층 재료는 미래의 과학적 발견을 위한 새로운 전선을 열어줄 것입니다.
우리는 이러한 재료의 특성을 주시해야 합니다. 그러면 우리는 더 많은 응용을 발견할 수 있을 것입니다. 우리는 2D 비층 재료의 높은 표면 활성도가 중요한 반응, 즉 이산화탄소의 산화와 물의 환원에 유용한 촉매를 만드는 데 도움이 된다는 것을 기억해야 합니다.
이러한 재료는 에너지 저장과 전환에서 연료 전지와 태양 전지를 개발하는 데 도움이 되었습니다. 광전자 분야에서는 높은 품질의 발광 다이오드, 레이저, 센서를 생산하는 데 도움이 됩니다. 또한, 표면에서 전기를 전도하고, 벌크에서 절연하는 토포로지컬 절연 특성을 가지고 있습니다.
전체적으로, 고급 단일 원자층 재료는 다양한 기회를 제공하는 문입니다. 미래에는 이러한 재료의 광범위한 채택을 볼 수 있을 것입니다!
