중국 초강력 탄소나노튜브 섬유 연구의 주요 돌파구

최근, 칭화대 화학공학과 웨이페이 교수 팀은 칭화대 항공우주학과 리시더 교수와 협력하여 초장거리 탄소나노튜브 섬유 분야에서 큰 돌파구를 마련했습니다. 단일 탄소나노튜브의 이론적 강도가 매우 길다는 것이 세계 최초로 보고되었습니다. 탄소나노튜브 다발은 현재 발견된 다른 모든 섬유 소재보다 인장 강도가 더 높습니다.

탄소나노튜브는 현재 발견된 가장 강력한 재료 중 하나로 여겨지며, 인장강도가 100GPa 이상이고 탄소섬유 강도가 10배가 넘습니다. 그러나 우수한 기계적 성질을 가진 단일 탄소나노튜브를 거시적인 소재로 제조하면 그 성능이 이론적인 값에 크게 미치지 못하는 경우가 많습니다. 이와 대조적으로, 초장 탄소나노튜브는 길이가 몇 센티미터 또는 몇 데시미터에 불과하고, 구조가 완벽하며, 배향이 균일하고, 기계적 성질이 이론적인 한계에 가까워, 초강력 섬유를 제조하는 데 큰 이점이 있습니다.

연구팀은 현장 가스 흐름 집중 방법을 사용해 명확한 조성, 완벽한 구조, 평행 배열을 갖춘 1cm 길이의 연속적인 초장 탄소나노튜브 튜브를 제조하는 것을 제어했으며, 제한 요소를 능숙하게 피했습니다. 다양한 개수의 단위를 포함하는 초장형 탄소나노튜브 묶음을 제조하고, 그 구성이 초장형 탄소나노튜브 묶음의 기계적 성질에 미치는 영향을 정량적으로 분석함으로써, 확립된 물리/수학적 모델이 수립되었습니다.

이 연구에서는 튜브 번들 내의 탄소나노튜브의 초기 응력 분포가 균일하지 않아 튜브 번들 내의 탄소나노튜브가 동시에 균일한 힘을 받을 수 없고, 이로 인해 전체 강도가 감소하는 "다니엘 효과"가 발생한다는 것을 발견했습니다. 이를 바탕으로 연구팀은 나노조작을 통해 튜브 다발 내 탄소나노튜브의 초기 응력을 좁은 분포 범위로 방출시켜 탄소나노튜브 빔 인장강도를 높이는 '동기적 완화' 전략을 제안했다. 단일 탄소 나노튜브의 인장강도에 가까운 80 학점(GPA) 이상으로 향상되었습니다.

이 연구는 초장거리 탄소나노튜브를 이용하여 초강력 섬유를 제조하는 데 있어 밝은 전망을 보여주며, 동시에 새로운 초강력 섬유를 개발하기 위한 방향과 방법을 제시합니다.