새로운 사슬 갑옷과 같은 소재가 갑옷의 미래가 될 수 있다

노스웨스턴 대학교(Northwestern University)가 주도하는 연구팀은 화학적으로 놀라운 업적을 달성하여 최초의 2차원(2D) 기계적으로 연동된 재료를 개발했습니다.

체인 메일의 연동 링크와 유사한 나노 크기의 소재는 뛰어난 유연성과 강도를 보여줍니다. 추가 작업을 통해 고성능, 경량 방탄복 및 가볍고 유연하며 견고한 소재를 요구하는 기타 용도로 사용할 가능성이 있습니다.

1월 17일(금) 저널 게재 과학이 연구는 해당 분야에서 몇 가지 최초를 기록했습니다. 이 새로운 소재는 최초의 2D 기계적으로 연동된 폴리머일 뿐만 아니라 1제곱센티미터당 100조 개의 기계적 결합을 포함하고 있습니다. 이는 지금까지 달성한 ​​기계적 결합의 최고 밀도입니다. 연구진은 새롭고 효율적이며 확장 가능한 중합 공정을 사용하여 이 물질을 생산했습니다.

이번 연구의 교신저자인 Northwestern의 William Dichtel은 "우리는 완전히 새로운 고분자 구조를 만들었습니다."라고 말했습니다. "각각의 기계적 결합이 약간의 자유도를 가지고 있기 때문에 쉽게 찢어지지 않는다는 점에서 체인 메일과 유사합니다. 당기면 가해진 힘이 여러 방향으로 분산될 수 있습니다. 그리고 찢어버리고 싶다면, 우리는 계속해서 그 속성을 탐구하고 있으며 아마도 수년 동안 연구할 것입니다."

Dichtel은 Weinberg 예술 과학 대학의 화학과 Robert L. Letsinger 교수이며 국제 나노기술 연구소(IIN) 및 Paula M. Trienens 지속 가능성 및 에너지 연구소의 회원입니다. 매디슨 바르도(Madison Bardot) 박사 Dichtel 연구실의 후보자이자 IIN Ryan Fellow가 이 연구의 첫 번째 저자입니다.

새로운 프로세스를 발명하다

수년 동안 연구자들은 고분자와 기계적으로 맞물린 분자를 개발하려고 시도했지만 고분자를 동축시켜 기계적 결합을 형성하는 것이 거의 불가능하다는 것을 발견했습니다.

이 문제를 극복하기 위해 Dichtel 팀은 완전히 새로운 접근 방식을 취했습니다. 그들은 폴리머의 구성 요소인 X자형 모노머로 시작하여 이를 특정하고 고도로 정렬된 결정 구조로 배열했습니다. 그런 다음 이 결정을 다른 분자와 반응시켜 결정 내의 분자 사이에 결합을 생성했습니다.

Dichtel은 “나는 매디슨이 기계적으로 맞물린 폴리머를 형성하기 위한 이 개념을 생각해 냈기 때문에 많은 공로를 인정합니다.”라고 말했습니다. "분자 결정에서 어떤 유형의 반응이 가능한지에 대한 우리의 가정에 의문을 제기해야 하는 것은 위험도가 높고 보상도 높은 아이디어였습니다."

생성된 결정은 2D 연동 폴리머 시트의 레이어와 레이어로 구성됩니다. 폴리머 시트 내에서 X 모양 모노머의 끝은 다른 X 모양 모노머의 끝 부분에 결합됩니다. 그러면 더 많은 단량체가 그 사이의 틈을 통해 통과됩니다. 견고한 구조에도 불구하고 폴리머는 놀라울 정도로 유연합니다. Dichtel 팀은 또한 용액에 폴리머를 용해시키면 서로 맞물린 모노머 층이 서로 벗겨지는 현상이 발생한다는 사실도 발견했습니다.

"폴리머가 형성된 후에는 구조를 함께 유지하는 것이 많지 않습니다"라고 Dichtel은 말했습니다. "그래서 우리가 그것을 용매에 넣으면 결정은 용해되지만 각 2D 층은 서로 결합됩니다. 우리는 개별 시트를 조작할 수 있습니다."

나노 규모의 구조를 조사하기 위해 David Muller 교수가 이끄는 코넬 대학의 공동 연구진은 최첨단 전자 현미경 기술을 사용했습니다. 이미지는 폴리머의 높은 결정도를 보여주고, 상호 연결된 구조를 확인하며, 높은 유연성을 나타냅니다.

Dichtel 팀은 또한 새로운 재료가 대량으로 생산될 수 있다는 것을 발견했습니다. 기계적 결합을 포함하는 이전 폴리머는 일반적으로 확장 가능성이 낮은 방법을 사용하여 매우 적은 양으로 제조되었습니다. 반면에 Dichtel 팀은 새로운 재료를 0.5kg으로 만들었으며 가장 유망한 응용 분야가 등장함에 따라 더 많은 양이 가능하다고 가정했습니다.

견고한 폴리머에 강도 추가

소재의 고유한 강도에 영감을 받아 듀크 대학의 Matthew Becker 교수가 이끄는 Dichtel의 협력자들은 이 소재를 Ultem에 추가했습니다. Kevlar와 같은 제품군에 속하는 Ultem은 극한의 온도는 물론 산성 및 부식성 화학 물질을 견딜 수 있는 믿을 수 없을 만큼 강한 소재입니다. 연구진은 97.5%의 Ultem 섬유와 2.5%의 2D 폴리머로 구성된 복합 재료를 개발했습니다. 그 작은 비율은 Ultem의 전반적인 강도와 인성을 극적으로 증가시켰습니다.

Dichtel은 그의 그룹의 새로운 폴리머가 경량 방탄복 및 탄도 직물을 위한 특수 소재로서 미래를 가질 수 있다고 생각합니다.

"우리는 더 많은 분석을 해야 하지만 이것이 이러한 복합 재료의 강도를 향상시킨다는 것을 알 수 있습니다"라고 Dichtel은 말했습니다. "우리가 측정한 거의 모든 자산은 어떤 면에서는 예외적이었습니다."

북서부 역사에 흠뻑 젖다

저자들은 1980년대에 기계적 결합의 개념을 도입한 전 노스웨스턴 화학자 프레이저 스토다트 경(Sir Fraser Stoddart)을 기리기 위해 이 논문을 헌정했습니다. 궁극적으로 그는 이러한 결합을 제어 가능한 방식으로 전환, 회전, 수축 및 확장하는 분자 기계로 정교하게 만들었습니다. 지난 달 세상을 떠난 스토다트는 이 연구로 2016년 노벨 화학상을 수상했습니다.

UCLA Stoddart 연구소의 박사후 연구원인 Dichtel은 "분자는 스스로 서로 연결되지 않기 때문에 프레이저는 연동된 구조를 템플릿화하는 독창적인 방법을 개발했습니다"라고 말했습니다. "그러나 이러한 방법조차도 고분자와 같은 큰 분자에 사용할 만큼 충분히 실용적이지 않습니다. 현재 연구에서 분자는 결정에 단단히 고정되어 각 분자 주위에 기계적 결합이 형성됩니다.

"따라서 이러한 기계적 결합은 노스웨스턴에서 깊은 전통을 갖고 있으며, 우리는 아직 가능하지 않았던 방식으로 그 가능성을 탐구하게 되어 기쁘게 생각합니다."

"기계적으로 연동된 2차원 폴리머"라는 연구는 주로 국방고등연구계획국(계약 번호 HR00112320041)과 노스웨스턴의 IIN(Ryan Fellows Program)의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/01/250116161332.htm