나노 소재의 개요

나노 개발의 간략한 역사

1959년 유명한 물리학자이자 노벨상 수상자인 리처드 파인만은 인간이 더 작은 기계를 사용하여 더 작은 기계를 만들 수 있고, 궁극적으로는 원자를 한 번에 하나씩 배열하여 인간의 희망에 따라 제품을 만들 수 있을 것이라고 예측했는데, 이것이 나노 기술의 초창기 꿈이었습니다.

1991년 미국의 과학자들은 탄소나노튜브 합성에 성공했고, 같은 부피의 강철보다 질량은 6분의 1에 불과하고 강도는 10배나 강해 슈퍼섬유라고 불립니다. 나노 물질의 발견은 물질의 특성을 발견하는 데 있어 새로운 전기를 마련했습니다. 1999년에 나노 제품의 연간 매출액은 500억 달러에 달했습니다.

나노 소재란 무엇인가요?

나노미터(nm)는 길이의 단위로, 1나노미터는 10-9미터(10억분의 1미터)입니다. 거시적인 물질의 경우 나노미터는 매우 작은 단위입니다. 사람의 머리카락 지름은 일반적으로 7000~8000nm, 사람의 적혈구는 일반적으로 3000~5000nm, 일반적인 바이러스도 수십~수백 나노미터이며 금속의 입자 크기는 일반적으로 미크론 규모입니다. 원자, 분자 등과 같은 미세한 물질의 경우 과거에는 옹스트롬으로 표현했는데, 옹스트롬은 수소 원자의 지름을 말하며 나노미터는 10옹스트롬입니다.

일반적으로 나노물질은 두 가지 기본 조건을 포함해야 한다고 여겨지는데, 하나는 나노물질의 특징적인 크기가 1~100nm 사이라는 것이고, 다른 하나는 나노물질이 현재 일반 크기의 물질과 구별되는 몇 가지 특별한 물리적, 화학적 특성을 가지고 있다는 것입니다.

나노물질은 3차원 공간에서 나노미터 크기(0.1~100nm) 이상의 한 차원이거나 이를 기본 단위로 구성한 물질을 말하며, 원자가 10~100개 정도 촘촘히 모여 있는 크기입니다. 현재 나노 소재는 다음과 같은 분야에 활용되고 있습니다.

천연 나노 소재

바다거북은 미국 플로리다 해안 근처에 알을 낳습니다. 하지만 태어난 아기 거북이는 먹이를 찾아 영국 인근 바다로 헤엄쳐 가서 생존하고 성장해야 합니다. 결국 성체는 알을 낳기 위해 플로리다 해안으로 돌아옵니다. 이 왕복 이동에는 약 5~6년이 걸립니다. 거북이 수만 킬로미터를 이동할 수 있는 이유는 무엇일까요? 사실 거북이는 정확한 이동을 위해 머릿속의 나노자기 물질에 의존합니다.

비둘기, 돌고래, 나비, 꿀벌과 같은 생물들이 길을 잃지 않는 이유를 연구하는 생물학자들도 이들의 몸에서 길을 안내하는 나노 물질을 발견했습니다.

나노 크기의 자성 물질

실제로 사용되는 대부분의 나노 물질은 인공 물질입니다. 작은 크기, 단일 도메인 구조, 높은 보자력으로 인해 나노 입자로 만든 자기 기록 재료는 음질, 이미지 및 신호 대 잡음비가 우수할 뿐만 아니라 γ-Fe2O3보다 수십 배 더 높은 기록 밀도를 가지고 있습니다. 초상자성 강자성 나노 입자는 전자 음향 장치, 감쇠 장치, 회전 밀봉, 윤활 및 광물 드레싱 분야에서 자성 액체로 만들 수도 있습니다.

나노 세라믹 소재

기존 세라믹 소재의 입자는 미끄러지기 쉽지 않고 재료가 부서지기 쉽고 소결 온도가 높은 반면, 나노 세라믹은 입자가 작아 다른 입자 위로 쉽게 이동합니다. 따라서 나노세라믹은 강도가 높고 인성이 높으며 연성이 우수하여 상온 또는 고온에서 저온 가공이 가능합니다.

나노 센서

나노 지르코니아, 산화니켈, 이산화티타늄 및 기타 세라믹은 온도 변화, 적외선 및 자동차 배기가스에 매우 민감합니다. 따라서 일반적인 유사 세라믹 센서보다 훨씬 높은 감지 감도를 가진 온도 센서, 적외선 감지기, 자동차 배기가스 감지기를 만드는 데 사용할 수 있습니다.

나노 그라데이션 기능성 소재

항공우주용 수소 및 산소 엔진에서 연소실의 내부 표면은 고온에 강해야 하고 외부 표면은 냉각수와 접촉해야 합니다. 따라서 내부 표면은 세라믹으로, 외부 표면은 열전도율이 좋은 금속으로 만들어야 합니다. 그러나 울퉁불퉁한 세라믹과 금속은 서로 접착하기 어렵습니다. 생산 과정에서 금속과 세라믹의 조성을 점진적이고 지속적으로 변경하면 금속과 세라믹을 "서로 연결"할 수 있으며 결국에는 결합하여 그라데이션 기능성 재료를 형성 할 수 있습니다. 금속과 세라믹 나노 입자가 점차적으로 변화하는 함량 요구 사항에 따라 소결하여 혼합 및 형성되면 연소실 내부의 고온 저항성과 외부의 우수한 열전도도 요구 사항을 충족 할 수 있습니다.

나노 반도체 재료

실리콘 및 갈륨 비소와 같은 반도체 재료는 많은 우수한 특성을 가지고 있습니다. 예를 들어, 나노 반도체의 양자 터널링 효과는 일부 반도체 재료의 전자 수송을 비정상적으로 만들고 전도도가 감소하며 입자 크기가 감소함에 따라 열전도도가 감소하고 심지어 음의 값이 나타납니다. 위의 모든 특성은 Lsi(대규모 집적 회로) 소자 및 광전자 소자 분야에서 중요한 역할을 합니다. 빛을 조사하면 나노 반도체 입자가 생성하는 전자와 정공은 환원 및 산화 능력이 강하기 때문에 독성 무기 물질을 산화시키고 대부분의 유기 물질을 분해하여 결국 무독성, 무취의 이산화탄소, 물 등을 생성할 수 있습니다. 따라서 반도체 나노 입자는 태양 에너지에 의한 무기 및 유기 물질의 분해를 촉매하는 데 사용될 수 있습니다.

나노 촉매 재료

나노 입자는 훌륭한 촉매입니다. 나노 입자는 크기가 작고 표면의 부피 분율이 크며 표면의 화학 결합 상태와 전자 상태가 다르며 표면의 원자 조정이 불완전하여 표면의 활성 위치가 증가하여 촉매로서 자격을 갖추게 됩니다.

니켈 또는 구리-아연 나노 입자를 일부 유기물에 수소화하는 것은 우수한 촉매이며 값비싼 백금 또는 팔라듐 촉매를 대체할 수 있습니다. 나노미터 촉매 플래티넘 블랙은 에틸렌 산화 반응 온도를 600℃에서 실온으로 낮출 수 있습니다.

의료 응용 분야

혈액 내 적혈구는 6, 000~9, 000nm 크기인 반면 나노 입자는 수 나노미터 크기로 적혈구보다 훨씬 작기 때문에 혈액 내에서 자유롭게 움직일 수 있습니다. 다양한 치료용 나노입자를 신체 곳곳에 주입하면 검사 및 치료가 가능해 기존 주사나 의약품보다 더 효과적입니다.

탄소 물질은 혈액에 잘 녹습니다. 21세기에 인공 심장 판막은 열분해 탄소 또는 다이아몬드와 같은 탄소 층으로 재료 기판에 증착됩니다. 그러나 이 증착 공정은 복잡하고 일반적으로 단단한 재료의 준비에만 적용할 수 있습니다.

중재적 가스백과 카테터는 일반적으로 탄성이 높은 폴리우레탄 소재로 준비됩니다. 길이 대 직경 비율이 높고 순수한 탄소 원자를 가진 탄소 나노 튜브 재료를 탄성이 높은 폴리 우레탄에 도입함으로써이 고분자 재료가 우수한 기계적 특성을 유지하고 가공 및 성형이 용이하도록 만들 수 있으며 한편으로는 더 나은 혈액 용해도를 얻을 수 있습니다.

그 결과 나노 복합체는 용혈을 유발할 가능성이 적고 혈소판을 활성화 할 가능성이 적고 나노 기술을 사용하면 약물 생산 공정을 점점 더 정교하게 만들 수 있으며 나노 물질 규모의 원자와 분자 배열을 직접 사용하여 특정 기능을 가진 약물을 만들 수 있음을 보여주었습니다; 나노 입자는 나노 입자 층으로 싸인 스마트 약물이 암세포를 적극적으로 검색하고 공격하거나 손상된 조직을 복구 할 수있는 약물이 체내를 더 쉽게 이동할 수 있도록 할 것이며, 나노 기술을 사용하는 새로운 진단 기기는 소량의 혈액에서 단백질과 DNA를 통해 질병을 감지 할 수 있습니다. 나노 입자의 특수한 특성은 나노 입자 표면을 변형하여 표적화되고 제어 가능한 방출과 쉬운 검출이 가능한 일부 약물 수송체를 형성하여 신체의 국소 병리학적 변화를 치료하는 새로운 방법을 제공하고 약물 개발의 새로운 방향을 열어줄 수 있습니다.

나노 기계 컴퓨터

세계 최초의 전자 컴퓨터는 1945 년에 탄생했으며 미국 대학과 군대가 공동으로 성공적으로 개발했으며 총 무게가 30 톤인 18,000 개의 튜브를 공유하며 약 170㎡의 면적을 차지합니다. 점보이지만 5, 000 초에 1 개의 작업 만 수행 할 수 있습니다.

반세기 동안 집적 회로 기술, 마이크로 일렉트로닉스, 정보 저장 기술, 컴퓨터 언어 및 프로그래밍 기술의 발전으로 컴퓨터 기술은 급속도로 발전했습니다. 오늘날의 컴퓨터는 테이블 위에 올려놓을 수 있을 정도로 작습니다. 무게는 이전 컴퓨터의 천만 배에 달하지만, 최초의 전자 컴퓨터보다 훨씬 빠릅니다.

나노 기술이 전자 컴퓨터의 장치를 만드는 데 사용된다면 미래의 컴퓨터는 일종의 "분자 컴퓨터"가 될 것입니다. 오늘날의 컴퓨터보다 훨씬 더 컴팩트하며 재료와 에너지 절약에 있어 사회에 상당한 이점을 가져다 줄 것입니다.

하드 드라이브의 카드 리더기를 읽을 수 있고 칩보다 수천 배 더 많은 메모리를 저장할 수 있는 나노 물질 수준의 메모리 칩이 이미 생산되고 있습니다. 나노 소재의 광범위한 사용으로 컴퓨터는 손바닥만 한 크기로 축소될 수 있습니다.

CNT(탄소 나노 튜브)

1991년 일본 전문가들은 탄소 나노튜브라는 소재를 생산했습니다. 여러 개의 육각형 원형 탄소 원자로 만들어진 튜브이거나 여러 개의 동축 튜브로 만들 수 있습니다. 단층 및 다층 튜브의 양쪽 끝은 종종 여기에 표시된 것처럼 밀봉되어 있습니다.

탄소 원자로 만든 이 튜브의 직경과 튜브 길이는 모두 나노 크기이므로 탄소 나노튜브라고 합니다. 인장 강도는 강철보다 100배 이상 높고 전도성은 구리보다 높습니다.

공기 중의 탄소나노튜브를 700℃ 정도로 가열해 탄소 원자의 협공 모양의 장치 상단에 있는 관을 산화 손상으로 인해 개방형 탄소나노튜브로 만들었습니다. 그런 다음 납과 같이 녹는 성질이 낮은 금속을 전자빔에 의해 증발시켜 열린 탄소나노튜브에 응축시킵니다. 사이펀의 결과로 금속은 탄소 나노튜브의 속이 빈 코어로 들어갑니다. 탄소 나노튜브의 직경이 매우 작기 때문에 튜브 내부에 형성된 금속 와이어도 매우 얇습니다. 이를 나노 와이어라고 합니다. 따라서 탄소 나노튜브와 나노와이어를 결합하면 새로운 초전도체가 될 수 있습니다.

나노 기술은 전 세계 여러 나라에서 아직 초기 단계에 머물러 있습니다. 미국, 일본, 독일 등 몇몇 국가에서 구체화되기 시작했지만 아직 연구 중이며 새로운 이론과 기술이 계속 등장하고 있습니다.

가전 제품

나노 소재로 만든 나노 다기능 플라스틱은 항균, 탈취, 방부, 노화 방지, 자외선 방지 기능을 가지고 있어 냉장고와 에어컨의 외피에 항균 탈취 플라스틱으로 사용할 수 있습니다.

환경 보호

환경 과학 분야에서 독특한 기능을 가진 나노 멤브레인이 등장할 것입니다. 이 멤브레인은 화학 및 생물학적 물질로 인한 오염을 감지하고 이러한 물질을 필터링하여 오염을 제거할 수 있습니다.

섬유 산업

나노-SiO2, 나노-ZnO 및 나노-SiO2 복합 분말 재료가 합성 섬유 수지에 첨가됩니다. 이를 뽑아 직조한 후 속옷과 의류를 살균, 곰팡이 방지, 탈취 및 자외선 차단 기능으로 만들 수 있습니다. 또한 항균 속옷, 용품 제조에 사용할 수 있으며 방위 산업 자외선 방지 기능성 섬유의 요구 사항을 충족하도록 제조 할 수 있습니다.

엔지니어링 산업

주요 기계 부품의 금속 표면에 나노 분말 코팅을 적용하여 기계 장비의 내마모성, 경도 및 서비스 수명을 향상시킵니다.