그래핀이란 무엇이며 무엇을 할 수 있습니까?

지난 10여 년 동안 과학 저널 근처에 있었다면 컴퓨터에서 생물 의학에 이르기까지 모든 것을 변화시킬 것을 약속하는 2차원 경이 소재인 그래핀에 대한 최상급 형태를 접했을 것입니다.

몇 가지 놀라운 특성 덕분에 그래핀의 응용 분야에 대해 많은 과장이 있습니다. 머리카락보다 100만배 가늘지만 강철보다 200배 강하다. 유연하지만 완벽한 장벽 역할을 할 수 있으며 우수한 전기 전도체입니다. 이 모든 것을 합치면 잠재적으로 혁신적인 응용 프로그램이 많이 포함된 자료를 갖게 됩니다.

그래핀이란?

그래핀은 탄소이지만 원자 1개 두께의 벌집 격자입니다. 이전 화학 수업으로 돌아가면 탄소로 구성된 재료가 원자 배열 방식(다른 동소체)에 따라 크게 다른 특성을 가질 수 있음을 기억할 것입니다. 예를 들어 연필심의 흑연은 약혼반지의 단단하고 투명한 다이아몬드에 비해 부드럽고 어둡습니다. 인간이 만든 탄소 구조도 다르지 않습니다. 공 모양의 Buckminsterfullerene은 탄소 나노튜브의 코일 배열과 다르게 작용합니다.

그래핀은 육각형 격자의 탄소 원자 시트로 구성됩니다. 위의 것들 중에서 형태가 흑연에 가장 가깝지만, 그 물질은 약한 분자간 결합에 의해 층 위에 층을 유지하는 탄소의 2차원 시트로 만들어진 반면, 그래핀은 한 시트 두께에 불과합니다. 흑연에서 원자 1개 높이의 탄소 한 층을 벗겨낼 수 있다면 그래핀을 갖게 될 것입니다.

흑연의 약한 분자간 결합으로 인해 부드럽고 벗겨지는 것처럼 보이지만 탄소 결합 자체는 견고합니다. 이것은 탄소 결합으로만 구성된 시트가 가장 강한 강철보다 약 200배 더 강하면서도 동시에 유연하고 투명하다는 것을 의미합니다.

그래핀은 오래전부터 이론화되어 왔으며 사람들이 흑연 연필을 사용하는 동안 우연히 소량으로 생산되었습니다. 그러나 주요 격리 및 발견은 맨체스터 대학에서 2014년 Andre Geim과 Konstantin Novoselov의 연구에 고정되어 있습니다. 두 과학자는 "금요일 야간 실험"을 개최하여 업무 외 아이디어를 테스트한 것으로 알려졌습니다. 이 세션 중 하나에서 연구원들은 스카치 테이프를 사용하여 흑연 덩어리에서 얇은 탄소 층을 제거했습니다. 이 선구적인 연구는 결국 그래핀의 상업적 생산으로 이어졌습니다.

2010년 노벨 물리학상을 수상한 후 Geim과 Novoselov는 테이프 디스펜서를 노벨 박물관에 기증했습니다.

그래핀은 무엇에 사용할 수 있습니까?

주목해야 할 한 가지 중요한 점은 과학자들이 그래핀을 기반으로 하는 모든 종류의 재료를 개발하고 있다는 것입니다. 이것은 우리가 플라스틱에 대해 생각하는 것과 같은 방식으로 "그래핀"에 대해 생각하는 것이 더 낫다는 것을 의미합니다. 본질적으로 그래핀의 출현은 하나의 새로운 물질이 아닌 완전히 새로운 범주의 물질로 이어질 수 있는 범위를 가지고 있습니다.

적용 측면에서 생물의학 및 전자공학부터 작물 보호 및 식품 포장에 이르기까지 광범위한 분야에서 연구가 진행되고 있습니다. 예를 들어 그래핀의 표면 특성을 수정할 수 있다는 것은 약물 전달을 위한 뛰어난 재료가 될 수 있는 반면 재료의 전도성과 유연성은 차세대 터치스크린 회로 또는 접이식 웨어러블 장치를 예고할 수 있습니다.

그래핀이 액체 및 기체에 대한 완벽한 장벽을 형성할 수 있다는 사실은 차단하기 매우 어려운 기체인 헬륨을 포함하여 다양한 화합물 및 원소를 필터링하기 위해 다른 재료와 함께 사용할 수도 있음을 의미합니다. 이것은 산업과 관련하여 다양한 응용 분야를 가지고 있지만 정수 여과와 관련된 환경 요구 사항에 매우 유용할 수도 있습니다.

그래핀의 다기능적 특성은 엄청난 양의 복합재 사용 가능성을 열어줍니다. 기존 기술을 향상시킬 수 있는 방법에 대해 많은 생각이 들었지만, 이 분야의 지속적인 발전은 결국 이전에는 불가능했을 완전히 새로운 영역으로 이어질 것입니다. 완전히 새로운 차원의 항공우주 공학이 등장하는 것을 볼 수 있을까요? 증강 현실 광학 임플란트는 어떻습니까? 그런 의미에서 21세기는 우리가 알게 될 때입니다.