그래핀: 강철보다 200배 강하고 종이보다 1,000배 가볍다

2004년, 맨체스터 대학의 두 과학자는 잠재적으로 세계를 바꿀 수 있는 결과를 가져오는 믿을 수 없을 정도로 간단한 실험을 수행했습니다. 연구원인 Andre Geim과 Konstantin Novoselov 는 연필 끝에 있는 흑연을 가지고 놀고 있었습니다 . 흑연은 서로 겹쳐진 순수한 탄소의 초박형 시트로 만들어집니다. Geim과 Novoselov는 단 하나의 원자 두께를 측정하는 불가능할 정도로 얇은 탄소 층인 흑연 한 장을 분리할 수 있는지 확인하기를 원했습니다.

그래서 그들은 끈적 끈적한 테이프 롤을 잡았습니다. 예, 쓰레기 서랍에 보관하는 것과 동일한 투명 테이프가 플라스틱 도포기에 들어 있습니다. 다음 은 BBC에서 보고한 바와 같이 Geim이 자신의 기술을 설명한 방법입니다.

접착 테이프 방식이 효과가 있었습니다! 단일 층의 탄소 시트를 분리함으로써 Geim과 Novoselov는 현재 지구상에서 가장 강력하고 가볍고 전기 전도성이 가장 높은 물질로 여겨지는 그래핀이라는 새로운 물질을 발견한 공로를 인정받았습니다.

2010년에 Geim과 Novoselov는 그래핀을 발견한 공로로 노벨 물리학상을 공동 수상했으며 전 세계의 연구원들은 이 놀라운 "초물질"을 사용하여 더 강력하고 오래 지속되는 배터리, 더 빠른 마이크로칩, 유연한 회로, 이식 가능한 바이오센서를 만드는 방법을 주장하기 시작했습니다. 그리고 더. 10년 후, 그래핀은 아직 많이 과장된 약속을 이행하지 않았지만 내부자들은 우리가 마침내 향후 몇 년 안에 그래핀 기반 기술을 사용하는 스마트폰, 전기 자동차 및 센서를 보게 될 것이라고 확신합니다.

그래핀이 왜 초소재인가?

단 하나의 원자 두께로 측정되는 그래핀 한 장은 초물질의 모든 상자를 확인합니다.

그래핀은 구조 에서 초능력을 얻습니다 . 충분히 가까이 확대할 수 있다면 그래핀 시트가 원자 규모의 벌집처럼 보이는 것을 볼 수 있습니다. 개별 탄소 원자는 닭 철사를 닮은 육각형 패턴으로 배열됩니다. 그래핀 시트의 각 탄소 원자는 3개의 다른 탄소 항목에 공유 결합되어 이 소재에 놀라운 강도를 부여합니다.

그래핀이 전기를 잘 전도하는 이유는 무엇입니까? 다시 말하지만, 그 탄소 원자가 결합되는 방식 때문입니다. 각 탄소 원자는 외부 껍질에 4개의 전자를 가지고 있지만 그 중 3개만 이웃한 3개의 탄소 원자와 공유됩니다. 나머지 전자를 파이 전자 라고 하며 3차원 공간에서 자유롭게 이동할 수 있어 거의 저항 없이 그래핀 시트를 가로질러 전하를 전달할 수 있습니다. 사실, 그래핀은 알려진 물질 중 실온에서 가장 빠른 전기 전도체입니다 .

'매직 앵글'

최근 발견은 그래핀의 자랑 목록에 또 다른 초강대국을 추가할 수 있습니다. MIT(Massachusetts Institute of Technology)의 한 팀이 이중층 그래핀(단일 원자 그래핀의 2개 층을 함께 쌓음)을 실험하고 있을 때 그래핀의 새롭고 거의 마법 같은 특성을 발견했습니다. 층이 정확히 1.1도 변위인 선에서 약간 벗어나 회전 하면 그래핀은 초전도체가 됩니다. 초전도체는 저항이 전혀 없고 열이 없는 상태에서 전기를 전도하는 가장 희귀한 종류의 물질입니다.

그래핀의 "마법의 각도"의 발견은 과학계에 충격파를 일으켰습니다. 실험이 극도로 낮은 온도(0도 켈빈 또는 영하 459.67F)에서 수행되었지만 그래핀을 다른 초전도 요소와 결합함으로써 실온 초전도에 그 어느 때보다 가까워질 수 있는 가능성을 열었습니다. 이러한 성과는 가제트에서 자동차, 전체 전력망에 이르기까지 모든 것의 에너지 효율성을 근본적으로 향상시킬 것입니다.

그래핀이 기술을 어떻게 변화시킬 수 있습니까?

초전도는 아직 수십 년이 남았지만 혁신적인 그래핀 기반 제품이 훨씬 더 빨리 시장에 출시될 것이라고 캠브리지 그래핀 센터( Cambridge Graphene Center ) 소장이자 나노기술 교수인 Andrea Ferrari가 말했습니다 .

"2024년까지 배터리, 포토닉스, 야간 투시경 카메라 등을 포함한 다양한 그래핀 제품이 시장에 출시될 것입니다."라고 페라리는 말합니다.

소비자들은 수년 동안 그래핀 기반 배터리를 간절히 기다려 왔습니다. 당사의 모든 장치에 사용 되는 리튬 이온 배터리 는 충전 속도가 상대적으로 느리고 충전 속도가 빠르며 정해진 주기 후에 다 소모됩니다. 리튬 이온 배터리에 전력을 공급하는 전기화학 공정에서 많은 열이 발생하기 때문입니다.

그러나 그래핀은 세계에서 가장 효율적인 전기 전도체이기 때문에 전기를 충전하거나 방전할 때 훨씬 적은 열을 발생합니다. 그래핀 기반 배터리 는 리튬 이온보다 5배 빠른 충전 속도, 3배 더 긴 배터리 수명, 5배 더 많은 주기를 제공하여 교체해야 합니다.

삼성과 Huwei와 같은 전자 회사는 스마트폰 및 기타 장치용 그래핀 기반 배터리를 적극적으로 개발하고 있지만 시장에 출시되는 가장 빠른 시기는 2021년 입니다. 주행 반경을 극적으로 증가시킬 수 있는 전기 자동차의 그래핀 배터리는 아직 몇 년이 더 필요합니다. 전체 산업은 리튬 이온 기술을 기반으로 구축되었으며 하룻밤 사이에 바뀌지 않을 것입니다.

순수 그래핀과 그래핀 기반 칩을 제조하여 학계 연구원과 R&D 부서에 판매하는 회사 인 Graphanea 의 CEO Jesus de la Fuente는 "배터리 산업은 매우 보수적 입니다. "5~10년에 몇 번씩 배터리 구성이 바뀔 수 있어 이 업계에서 새로운 제품을 도입하기가 매우 어렵습니다."

리얼 그래핀(Real Graphene)이라는 회사의 일부 유무선 충전기를 포함하여 시장에 그래핀 기반 배터리가 몇 개 있지만 이는 빙산의 일각에 불과하다고 그래핀 플래그십 의 과학 기술 책임자이기도 한 페라리는 말합니다. , 그래핀 기술 개발을 가속화하기 위해 유럽 연합이 10억 유로 규모의 협력을 체결했습니다. Flagship의 연구 파트너는 이미 20% 용량과 15% 에너지 측면에서 오늘날 최고의 고에너지 전지보다 성능이 우수한 그래핀 배터리를 만들고 있습니다. 다른 팀은 태양광을 전기로 변환하는 데 20% 더 효율적인 그래핀 기반 태양 전지를 구축했습니다.

그래핀의 다른 용도

그래핀 배터리가 가장 먼저 시장에 출시될 수 있지만 연구자들은 이 기적의 물질에 대한 수많은 다른 응용 프로그램을 개발하느라 바쁘다.

바이오 센서는 큰 문제입니다. 인슐린 수치나 혈압과 같은 실시간 건강 데이터를 모니터링하기 위해 혈류에 주입할 수 있는 매우 얇고 유연한 칩을 상상해 보십시오. 또는 다가오는 간질 발작을 감지하거나 심지어 예방하기 위해 뇌에 신호를 주고받는 그래핀 인터페이스. 얇고 신축성 있는 센서는 피부에 착용하거나 옷감에 짜 넣을 수도 있습니다.

포토닉스는 이미 그래핀을 통합하고 있는 또 다른 분야입니다. 그래핀을 감광성 칩에 통합함으로써 카메라 및 기타 센서는 가시광선 및 비가시선 스펙트럼 전반에 걸쳐 가장 미세한 광파에도 감도를 크게 향상시킬 수 있습니다. 이는 카메라와 망원경의 이미지 품질뿐만 아니라 의료 이미지도 향상시킬 것입니다.

여과는 그래핀의 또 다른 유망한 응용입니다. 그래핀 폴리머로 제작된 간단한 정수 필터는 음용수의 유기 및 무기 오염 물질에 결합할 수 있습니다. Graphene Flagship의 연구원들은 농업 및 기타 용도 로 바닷물에서 염분의 60% 이상을 제거 할 수 있는 그래핀 다이오드를 기반으로 한 담수화 기술도 개발했습니다.

이러한 모든 개발에는 시간이 걸리지만 캠브리지 그래핀 센터의 페라리는 그래핀이 과대 광고에 부응할 것이라고 확신합니다. 사실, 그는 또한 격리된 것으로 추정되는 약 2,000개의 다른 단층 재료의 아직 발견되지 않은 특성, 점착 테이프 방법 또는 기타 방법에 대해서도 똑같이 흥분합니다.

"우리는 그래핀을 말하지만 실제로는 탐색 중인 수많은 옵션에 대해 이야기하고 있습니다."라고 페라리가 말했습니다. "일이 올바른 방향으로 가고 있습니다."

이제 멋지다

스포츠 장비 제조업체인 Head는 그래핀에 뛰어든 최초의 기업 중 하나였습니다. Graphene XT 테니스 라켓 은 동일한 스윙 웨이트 의 라켓보다 20% 더 가볍다고 주장합니다.