원자가 만나는 모서리에서 혁신을 일으키다

더 강하고 가벼운 소재를 어떻게 엔지니어링할 수 있을까요? 제트 엔진과 우주선과 같은 극한 조건을 위한 새로운 소재는 어떨까요?

리하이 대학교의 PC 로신 공학 및 응용 과학 단과대학에서 재료 과학 및 공학과 조교수로 재직 중인 파디 압델자와드는 그 답이 결정 내 원자가 함께 모이는 극히 작은 영역, 즉 경계에 숨겨져 있을지도 모른다고 말합니다.

압델자와드는 미국 에너지부 산하 통합 나노기술 센터(CINT)의 협력자들과 함께 그런 작은 경계가 나노소재의 특성에 엄청난 영향을 미치는 방식을 밝혀내고 있습니다.

"원자가 모여 나노크리스털을 형성하는데, 나노크리스털은 본질적으로 인간 머리카락 너비의 약 1/10,000에 불과한 구조입니다. "라고 압델자와드는 설명합니다. "이러한 결정이 퍼즐 조각이나 주방 바닥의 타일처럼 모여 있다고 생각해 보세요. 수십억 개의 나노크리스털이 서로 위에 쌓여 대부분의 엔지니어링 소재를 형성합니다."

연구자들에 따르면, 결정이 만나는 영역은 재료의 거동을 결정하는 데 큰 역할을 합니다. 최근, 팀의 연구는 나노 과학과 나노 기술 분야의 최첨단 연구를 출판하는 저널인 Nano Letters 에 게재되었으며, 이 저널은 큰 영향력으로 유명합니다.

"삼중 접합 분리가 나노결정 합금의 안정성을 지배한다"라는 제목의 논문은 7월 29일에 출판되었으며, 삼중 접합이라고 알려진 나노소재의 작은 특징이 고온에서 이러한 소재의 안정성을 유지하는 데 어떻게 중요한 역할을 하는지 살펴봅니다.

모서리에 금

나노결정질 재료는 매우 미세한 구조를 가지고 있으며, 많은 작은 결정으로 구성되어 있습니다. 이 작은 결정 크기는 재료를 더 강하게 만들 수 있습니다. 그러나 이러한 결정을 시간이 지남에 따라 작고 안정적으로 유지하는 것은 도전적인데, 이는 결정이 자라는 경향이 있기 때문이며, 이는 재료를 약화시킬 수 있습니다.

이 연구의 연구자들은 고온에서 이러한 재료의 안정성을 유지하는 열쇠가 삼중 접합, 즉 이러한 나노결정 3개가 만나는 모서리에 있다는 것을 발견했습니다. 퍼즐 조각 3개의 모서리가 합쳐지는 것을 상상해보세요.

과학자들이 발견한 것은 합금을 형성하기 위해 특정 원자를 첨가할 때, 그들은 이러한 삼중 접합부에서 자리를 차지하는 것을 선호한다는 것입니다. 이러한 "화학적 분리" 또는 삼중 접합부에서의 원자의 모임은 입자가 성장하는 것을 막는 데 도움이 되어, 시간이 지남에 따라 재료가 강도를 잃는 것을 방지합니다.

이 특정 연구는 백금 나노소재의 삼중 접합에 금 원자를 조심스럽게 배치하면 이 소재가 고온 조건에서도 안정성을 유지할 수 있다는 것을 보여주었습니다.

"이 과정을 이해함으로써" Abdeljawad는 "과학자들은 더 나은 나노결정 합금을 설계할 수 있습니다. 그들은 삼중 접합으로 이동하여 재료를 안정화할 특정 원소를 선택할 수 있습니다. 이는 항공우주 및 에너지 산업과 같이 고온에서 강도와 내구성이 중요한 응용 분야에 특히 중요합니다."라고 말합니다.

팀워크의 힘을 활용하다

Lehigh의 계산 재료 과학자인 Abdeljawad는 이러한 결과를 예측하는 대규모 계산 연구를 수행했습니다. 계산 팀은 모델을 검증하기 위해 Center for Integrated Nanotechnologies(CINT)와 협력했습니다. CINT는 나노스케일 연구를 위한 고급 도구와 전문 지식을 제공하여 과학 및 기술 발전을 위한 재료 과학, 나노 제조 및 나노 광자학 분야의 최첨단 연구를 가능하게 합니다.

"이것은 협력 과학의 뛰어난 사례입니다." CINT의 수석 과학자이자 이 연구의 공동 저자인 브래드 보이스 박사가 말했습니다. "나노 스케일에서 특징을 조정하여 새로운 소재를 엔지니어링하는 방법에 대한 우리의 아이디어는 이러한 소재를 구성하는 원자의 복잡한 배열을 시뮬레이션하는 능력의 결과로 성숙해지고 있습니다."

CINT는 미국 에너지부 과학국에서 자금을 지원하는 5개의 나노과학 사용자 시설 중 하나입니다. 뉴멕시코에 있는 Sandia National Labs와 Los Alamos National Lab에서 공동으로 운영합니다. 앨버커키에 있는 Core 시설과 로스 알라모스에 있는 Gateway 시설의 두 시설은 나노과학 연구를 발전시키기 위한 고유한 역량과 전문 과학자를 제공합니다. 이러한 리소스는 동료 검토를 거친 2페이지 제안서에 따라 수락된 사용자 과학자에게 무료입니다.


출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241017113856.htm

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