머리카락보다 300배 가느다란 금 나노선이 고무줄처럼 늘어났다 다시 줄어들 수 있다는 연구결과가 나왔다. 금(金) 나노선이 이 같은 변형복원력까지 갖출 경우 초미세 에너지 저장장치, 형상기억 소자, 센서 등으로의 다양한 응용이 가능할 것으로 예상된다.

나노선은 수십~수백 나노미터(10억분의 1미터) 직경의 선형재료이다.

포항공대 신소재공학과 오상호 교수 연구팀이 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업의 지원을 받아 KAIST, 독일 에를랑겐(Erlangen) 대학교, 막스플랑크 연구소 및 오스트리아 레오벤(Leoben) 대학교 등과 함께 수행한 이번 연구결과는 네이처 커뮤니케이션스지 1월 8일자에 게재되었다.

금속 나노선은 이론적으로 최대의 기계적 강도를 나타낼 수 있는 구조로 주목받고 있지만 실험적인 제약으로 컴퓨터 시뮬레이션에 의존해 변형특성에 대한 연구가 이뤄져 왔다.

그래서 나노선이 가늘어질수록 강해지는 반면 원하는 형태로의 가공이 어려워지는 원인을 밝히기 위해 나노선의 변형과정을 실시간으로 관찰하는 것이 관건이었다.

연구팀은 금 나노선을 3-4회 잡아 당기고 압축시키기를 반복한 결과 금 나노선이 원래 길이보다 40% 길어졌다가 다시 원래 길이로 줄어드는 복원성을 갖는 것을 실시간으로 확인했다.

시뮬레이션으로만 예측되었던 금속 나노선의 가역적인 변형이 실험적으로 확인됨에 따라 단단하면서도 반복적으로 변형이 가능한 금 나노선의 장점을 그대로 살린 초미세 센서, 형상기억 소자, 에너지 저장장치과 같은 나노소자로의 응용이 기대된다.

연구팀은 실시간 투과전자현미경을 이용한 변형실험을 통해 금 나노선의 이 같은 변형복원력이 나노선 내부에 만들어지는 쌍정 때문임을 알아냈다. 나노선을 잡아 당기면 쌍정이 만들어지고 다시 압축시키면 쌍정이 사라져 길이가 늘어났다 다시 줄어들 수 있다는 설명이다.

실시간 투과전자현미경은 전자현미경 내부에서 나노재료를 수십만 배로 확대해기계적 변형 또는 전기적 신호를 주면서 재료의 미세구조 변화를 실시간으로 관찰할 수 있도록 한 전자현미경으로 나노소재 연구에 사용된다.

쌍정(twin)은 일정크기 이상의 힘을 받아 영구적인 변형이 일어나는 소성변형은 물질 내부결함의 일종인 전위(dislocation)가 선형적으로 전파되거나 이차원적으로 움직이면서 형성되는 쌍정(twin) 때문이다. 재료에 힘을 가하면 쌍정영역이 넓어지면서 길이가 늘어난다.

오상호 교수는 “나노크기의 금속물질이 최대 40% 정도의 큰 변형량을 반복적으로 수용할 수 있다는 본 연구결과를 토대로 나노재료의 성능과 특성을 실시간 분석하는 연구를 계속할 계획”이라고 밝혔다.