아코디언 효과로 그래핀이 늘어나다

그래핀은 "기적의 소재"입니다. 기계적으로 매우 강하고 전기적으로 매우 높은 전도성을 지녀 관련 응용 분야에 이상적입니다. 야니 코타코스키가 이끄는 비엔나 대학교 물리학자들은 세계적으로 독창적인 방법을 사용하여 그래핀을 아코디언처럼 휘감아 신축성을 획기적으로 높였습니다.

이는 신축성이 요구되는 새로운 응용 분야( 예: 웨어러블 전자기기)의 길을 열어줍니다. 비엔나 공과대학교와의 협력을 통해 이 현상의 정확한 메커니즘이 밝혀져 Physical Review Letters 저널에 게재되었습니다.

2004년 그래핀에 대한 최초의 실험적 증거는 완전히 새로운 종류의 재료, 소위 2차원(2D) 고체를 확립했습니다. 2차원 고체라는 이름은 원자 한 겹 두께에 불과하다는 사실에서 유래되었으며, 다양한 응용 분야에 도움이 될 수 있는 독특한 물성을 제공합니다.

예를 들어 그래핀은 뛰어난 전기 전도성을 자랑하지만, 동시에 매우 단단합니다. 이러한 극한의 단단함은 재료 내 원자의 벌집 모양 배열 때문입니다. 직관적으로 생각하면 재료에서 원자 결합과 함께 일부 원자를 제거하면 단단함이 감소해야 합니다. 그러나 과학적 연구에서는 약간의 감소와 상당한 증가가 모두 보고되었습니다.

이러한 모순은 비엔나 대학교의 야니 코타코스키가 이끄는 연구팀이 수행한 새로운 측정을 통해 명확해졌습니다. 실험은 최첨단 장비를 모두 동일한 초청정 무공기 환경에서 사용하며 수행되었습니다. 이를 통해 주변 공기에 노출되지 않고도 서로 다른 장비 간에 샘플을 이동할 수 있습니다. 야니 코타코스키는 "비엔나 대학교에서 개발한 이 독특한 시스템을 통해 간섭 없이 2차원 재료를 검사할 수 있습니다."라고 설명했습니다.

이 연구의 제1저자인 와엘 주디는 "그래핀을 주변 공기 및 그 안에 포함된 이물질로부터 완전히 분리하여 이러한 실험을 수행한 것은 이번이 처음입니다. 이러한 분리가 없다면, 이러한 입자들이 표면에 빠르게 가라앉아 실험 과정과 측정에 영향을 미칠 것입니다."라고 덧붙였습니다.

실제로, 재료 표면의 세심한 청결에 대한 집중은 그래핀의 강성과 관련된 소위 아코디언 효과를 발견하는 데 이르렀습니다. 인접한 두 원자가 제거되면 원래 평평했던 재료가 눈에 띄게 부풀어 오르는 현상이 나타납니다. 여러 개의 부풀어 오른 부분이 합쳐지면 재료에 주름이 생깁니다.

"아코디언과 같다고 생각해 보세요. 잡아당기면 물결 모양 재료가 평평해지는데, 이는 평평한 재료를 늘릴 때보다 훨씬 적은 힘으로 가능하기 때문에 더 잘 늘어나게 됩니다."라고 와엘 주디는 설명합니다. 빈 공과대학교의 이론 물리학자 리카 사스키아 빈디쉬와 플로리안 리비쉬가 수행한 시뮬레이션은 파동의 형성과 그에 따른 신축성을 모두 확인했습니다.

실험 결과, 재료 표면의 이물질은 이러한 효과를 억제할 뿐만 아니라 오히려 반대 결과를 초래한다는 사실도 밝혀졌습니다. 특히, 이러한 이물질의 영향으로 재료가 더 단단해 보이는데, 이는 과거의 모순을 설명할 수 있습니다. 와엘 주디는 "이는 2차원 재료를 다룰 때 측정 환경의 중요성을 보여줍니다. 이 결과는 그래핀의 강성을 조절하는 방법을 제시하여 잠재적인 응용 분야로의 길을 열어줍니다."라고 결론지었습니다.

이 연구는 오스트리아 과학 기금(FWF)의 전액 또는 일부 자금 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250506105353.htm