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연구자들은 폴리머에 첨가될 때 온도 변동을 견딜 수 있는 능력 측면에서 금속과 유사하게 만들어 재료의 내구성을 높이는 분자를 개발했습니다. 플라스틱 휴대폰 케이스부터 미사일까지 모든 것의 내구성을 높일 수 있다고 합니다.

저렴한 비용, 낮은 밀도, 우수한 열 및 전기 절연 특성, 높은 부식 저항성으로 인해 폴리머는 일상 생활에서 사용되는 거의 모든 품목에서 발견됩니다. 그러나 계속해서 열과 추위에 노출되면 폴리머를 포함한 재료가 팽창 및 수축되어 궁극적으로 품질이 저하됩니다.

다양한 재료는 다양한 속도로 팽창하고 수축합니다. 예를 들어 금속과 세라믹은 폴리머보다 수축이 적습니다. 미국 샌디아 국립 연구소(Sandia National Laboratories)의 연구원들은 폴리머에 첨가될 때 재료의 내구성을 증가시켜 보다 금속처럼 만드는 분자를 수정했습니다.

연구팀을 이끈 재료 과학자 Erica Redline은 “이것은 열을 가하면 팽창하는 대신 모양의 변화를 통해 실제로 수축하는 독특한 분자입니다.”라고 말했습니다. “이를 폴리머에 첨가하면 폴리머의 수축이 줄어들어 금속과 유사한 팽창 및 수축 값을 갖게 됩니다. 금속처럼 행동하는 분자를 갖는 것은 매우 놀라운 일입니다.”

연구원들이 이름을 밝히지 않은 판도를 바꾸는 분자를 개발하기 위한 아이디어는 열과 추위에 서로 다른 방식으로 반응하는 다양한 재료로 만들어진 스마트폰의 취약성에 대한 Sandia 고객들의 불만을 접수하면서 탄생했습니다.

“예를 들어 유리 화면에 플라스틱 하우징이 결합된 전화기와 그 내부에 회로를 구성하는 금속과 세라믹이 있다고 생각해 보세요.”라고 Redline은 말했습니다. "이러한 재료는 모두 나사로 고정되거나 접착되거나 어떻게든 서로 접착되어 있으며 서로 다른 속도로 팽창 및 수축하기 시작하여 서로 스트레스를 가하여 시간이 지남에 따라 갈라지거나 뒤틀릴 수 있습니다."

연구원들은 이 분자가 전자, 통신 시스템, 태양 전지 패널, 자동차 부품, 회로 기판, 항공우주 설계, 방어 시스템 및 바닥재를 포함한 다양한 응용 분야에서 폴리머가 사용되는 방식에 혁명을 일으킬 수 있다고 말합니다.

Sandia의 화학 엔지니어인 Jason Dugger는 “이 분자는 현재의 문제를 해결할 뿐만 아니라 미래에 더 많은 혁신을 위한 설계 공간을 크게 열어줍니다.”라고 말했습니다.

그들은 3D 프린팅 중에 폴리머의 다른 부분에 다른 비율로 도입될 수 있다는 이점이 있다고 말합니다.

Dugger는 “한 영역에서는 특정 열적 거동을 갖고 다른 영역에서는 다른 열적 거동을 갖는 구조를 인쇄하여 제품의 여러 부분에 있는 재료를 일치시킬 수 있습니다.”라고 말했습니다.

또한 무거운 충전재를 제거하여 재료의 무게를 줄이는 데에도 도움이 됩니다. 종종 탄산칼슘, 실리카, 점토, 카올린 및 탄소와 같은 미네랄이 필러로 첨가되어 폴리머의 성형 및 성형을 더 쉽게 만들고 안정성을 보장합니다.

Dugger는 “이를 통해 질량을 절약하기 위해 훨씬 더 가벼운 작업을 수행할 수 있게 되었습니다.”라고 말했습니다. “예를 들어 위성을 발사할 때 이는 특히 중요합니다. 우리가 절약할 수 있는 모든 그램은 엄청납니다.”

연구진은 지금까지 소량의 분자만을 생성했지만 생산 규모를 확대하는 방법을 연구하고 있습니다. 현재 7~10g(0.2~0.3oz)을 생산하는 데 약 10일이 소요됩니다.

“불행하게도 이 분자를 합성하는 데 시간이 많이 걸립니다.”라고 분자 생성을 담당한 유기화학자인 Chad Staiger가 말했습니다. “더 많은 단계는 더 많은 시간과 돈을 의미합니다. 의약품과 같은 고부가가치 물질에서는 일반적으로 5~6단계 합성을 볼 수 있습니다. 폴리머에서는 가격이 저렴할수록 대규모 채택에 더 좋습니다.”

그럼에도 불구하고 연구자들은 분자의 잠재적인 용도에 대해 여전히 낙관적이다.

연구팀의 일원인 Eric Nagel은 “이런 것과 같은 것은 없습니다.”라고 말했습니다. "나는 이 기술이 무엇을 할 수 있는지, 그리고 이와 연관될 수 있는 응용이 가능한지 정말 기대됩니다."