다중의 조정 가능한 나노 기공을 생성하는 새로운 방법은 멤브레인 기술에 혁명을 일으킬 수 있습니다.
10억 분의 1미터보다 작은 원자 크기의 구멍을 가진 나노다공성 막은 오염된 물을 정화하고, 물에서 귀중한 금속 이온을 끌어내거나, 삼투압 발전기로 사용할 수 있는 강력한 잠재력을 가지고 있습니다.
하지만 이런 흥미로운 응용 분야는 개별 나노미터 미만의 기공을 하나하나 터널링하는 지루한 과정으로 인해 부분적으로 제한을 받았습니다.
"만약 우리가 실험실 외부의 응용 분야에 적합하도록 2D 소재 멤브레인을 확장하려면 '한 번에 하나의 기공' 방식은 실현 불가능합니다." 최근 UChicago Pritzker School of Molecular Engineering(PME) 박사 학위를 취득한 Eli Hoenig의 말입니다. "하지만 실험실 실험의 범위 내에서도 나노다공성 멤브레인은 단일 기공보다 훨씬 더 큰 신호를 제공하여 감도를 높입니다."
호에니히는 Nature Communications 에 최근 게재된 논문의 첫 번째 저자로, 이 오래된 문제를 해결하는 새로운 경로를 찾았습니다. PME 조교수 Chong Liu의 지도 하에, 이 팀은 의도적으로 약한 지점이 있는 재료를 만든 다음 원격 전기장을 적용하여 여러 나노스케일 기공을 한 번에 생성하는 새로운 기공 생성 방법을 만들었습니다.
"저희의 논리는, 만약 우리가 재료의 모양을 미리 설계하고 약점이 있는 곳을 설계할 수 있다면, 기공을 생성할 때 그 분야가 그 약점을 파악하고 먼저 거기에 구멍을 뚫기 시작한다는 것입니다." 류가 말했습니다.
약점의 강점
연구팀은 다결정 이황화 몰리브덴을 여러 겹 겹쳐 놓음으로써 결정이 만나는 곳을 제어할 수 있었습니다.
"완벽한 결정 두 개가 있다고 가정해 봅시다. 두 결정이 합쳐지면 그냥 매끄럽게 붙은 것이 아닙니다. 서로 연결되기 시작하는 인터페이스가 있습니다." 류가 말했습니다. "그것을 결정립계라고 합니다."
즉, 결정립계와 그 위에 결국 형성될 기공을 놀라운 수준의 제어로 "사전 패턴화"할 수 있다는 의미입니다.
하지만 이 기술을 통해 미세 조정할 수 있는 것은 위치뿐만이 아닙니다. 기공의 농도와 크기도 미리 결정할 수 있습니다. 팀은 기공의 크기를 4나노미터에서 1나노미터보다 작게 조정할 수 있었습니다.
이를 통해 엔지니어링 수처리 시스템, 연료 전지 또는 기타 다양한 응용 분야에 유연성을 제공할 수 있습니다.
"사람들은 모공을 정확하게 만들고 제한하고 싶어하지만, 보통 이 방법은 제한적이어서 한 번에 하나의 모공만 만들 수 있습니다." 류는 말했습니다. "그래서 우리는 각 개별 모공의 정밀도와 크기를 여전히 제어할 수 있는 고밀도 모공을 만드는 방법을 개발했습니다."
이 기술은 여러 용도로 사용되지만, 호에니히는 환경적 응용 분야가 가장 흥미롭다고 생각합니다. 여기에는 물 처리와 세계가 재생 에너지로 전환하는 데 필요한 그리드 규모 배터리에 필요한 리튬과 같은 귀중한 재료 추출이 포함됩니다.
"목표적 물 오염 제거와 자원 회수는 적어도 이 기초 과학 수준에서는 같은 동전의 양면이며, 둘 다 저에게는 정말 중요합니다."라고 호에니히는 말했습니다.
Liu는 이 새로운 논문이 PME 교수 Shirley Meng과 PME 조교수 Shuolong Yang의 양자 그룹의 배터리 중심 연구실과의 학제간 협업의 지적 파생물이라고 말했습니다. 학문적 사일로를 넘나들며, 세 연구실은 이전에 결정에서 양자 큐비트를 성장시키는 데 있어 오랜 장애물을 돌파하기 위해 협력했습니다.
"저희 세 팀은 한 가지 유형의 재료나 한 가지 유형의 재료 속성에 대해서만 정밀 합성 기술을 개발하려고 노력하고 있습니다." 류는 말했다. "우리는 재료의 구성, 구조, 결함을 조작하여 정밀한 결함과 기공을 만드는 방법을 함께 연구하고 있습니다."
출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241002135247.htm
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