복합물의 특성을 제어할 수 있는 재료 속의 계면 :: 전체

미국 연구진은 재료 속의 계면이 복합물의 특성을 제어하는 수단으로 형성될 수 있다는 것을 발견했다. 패턴이 형성된 표면들은 다른 것들과 부착되거나 물을 반발하거나 재료의 전기적 특성을 변화시킬 수 있다.

MIT의 연구진은 표면 패터닝에 주름을 새롭게 추가했다. 대부분의 연구는 재료의 외부 표면 위에 패턴을 형성하는데 초점을 맞추지만, 이번 연구팀은 재료 속의 깊은 곳에 존재하는 패터닝된 표면의 효과들을 조사하기 시작했다. 특히, 결정질 재료의 층 사이의 계면을 조사했다.

이 연구결과는 저널 Scientific Reports에 게재되었고, 내부 패턴의 제어가 생성된 재료의 성능을 상당히 향상시킬 수 있다는 것을 보여주었다. Demkowicz는 바람직한 강도, 유연성, 진동 및 온도 변화에 대한 내성을 가진 층상 복합물을 만들 목적으로 많은 연구가 수행되었다고 설명했다. 그러나 두 개의 재료들이 복합물 내에서 실제로 만나는 표면들을 제어하는 것은 까다로운 공정이다.

“사람들은 이것이 균일한 표면이라고 생각하지만 대부분의 계면들은 균일하지 않다”고 Demkowicz 조교수가 말했다. 이런 재료의 특성들을 제어하기 위해서, 이런 불균일한 계면을 이해하는 것이 필수적이다. 이번 연구팀은 표면의 특성들을 설명하는데 고전적인 방정식을 사용했고, 표면 위치에 따른 변화들을 설명하기 위해서 그들을 적용했다. 이것을 실험적으로 수행하기가 쉽지 않지만, 이번 연구진은 컴퓨터 시뮬레이션으로 이것을 직접적으로 수행할 수 있었다.

결함 또는 진동이 이런 계면에서 어떻게 분포되는지를 시뮬레이션하고 제어할 수 있는 능력은 다양한 분야에 유용하게 적용될 수 있다고 이번 연구진은 말했다. 예를 들어, 핵융합 반응기의 내부 벽에 사용되는 재료의 경우에, 이러한 패터닝은 지극한 조건 하에서 내구성의 큰 차이를 만들 수 있다.

이런 반응기 속의 금속 벽이 핵융합 반응을 통한 알파 입자에 의해서 충돌될 때, 이런 입자들은 스스로 박히고 매우 작은 헬륨 거품을 형성한다. 이것은 시간이 지남에 따라서 재료를 약화시킬 수 있고 결국 재료의 파괴를 불러올 수 있다. “이것은 매우 극단적인 환경”이라고 Demkowicz가 말했다. 재료 속의 패터닝을 제어함으로써, 거품들은 줄을 서고 채널을 형성한다. 헬륨은 축적되는 대신에 재료 밖으로 확산될 수 있다. “우리가 헬륨이 탈출할 수 있는 경로를 만들기 위해서 이것을 성공적으로 수행한다면, 이것은 큰 연구 업적이 될 것”이라고 그는 말했다.

“내부 구조를 템플릿으로서 이용함으로써, 우리는 거품이 채널을 형성하게 할 수 있다”고 Demkowicz가 추가했다. 결정구조를 통한 포논(열 또는 음파의 진동)의 이동 방법의 제어와 같은 다른 분야에도 동일한 원리가 적용될 수 있을 것이다. 이것은 열전 장치들의 제조에 중요할 수 있다. 마찬가지로, 재료 속의 확산 경로의 생성은 리튬-이온 배터리와 연료 전지와 같은 장치의 효율을 향상시키는데 도움을 줄 수 있을 것이다.

“재료의 기계적 특성들은 내부 구조에 의존한다. 그래서 당신은 이런 계면들을 제어함으로써 그들을 강하거나 약하게 만들 수 있다. 또한 재료들의 강도를 디자인할 수 있다”고 Demkowicz가 말했다.

이 연구에 참여하지 않았던 조지아 공과대학(Georgia Institute of Technology)의 David L. McDowell 박사는 “이것은 재료 속의 계면 반응과 특성들을 다루기 위해서 결함들을 이용할 수 있는 실용적인 방법을 제공할 수 있게 한다. 계면 디자인에서의 이런 유형의 진보는 절반의 시간과 절반의 비용으로 새롭고 향상된 재료들을 개발할 수 있게 할 것”이라고 말했다. 이 연구결과는 저널 Scientific Reports에 "Computational design of patterned interfaces using reduced order models" 라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1038/srep06231).