플라스틱은 일반적으로 뜨거운 온도와 차가운 온도에 반복적으로 노출되면 팽창하고 수축하여 다양한 응용 분야에서 내구성에 영향을 미친다. 첨가제는 이 문제를 완화시킬 수 있지만 대부분의 제품은 다른 재료를 결합하고 열팽창 불일치를 보상하기 위해 필러를 관리하는 것은 복잡한 일이다. 하지만 미국의 샌디아 국립 연구소(Sandia National Laboratories)의 연구자들은 해 결책을 가지고 있을지도 모른다. 모든 것은 분자 수준에서 시작한다.
샌디아 재료 과학자 에리카 레드라인과 그녀의 팀은 폴리머가 온도 변동에 반응하는 방식을 바꾸는 것을 도와 주는 분자를 개발했다고 발표했다. 플라스틱에 섞였을 때, 연구소에서 발명된 분자는 모양을 바꿔 열에 노출 되었을 때 팽창하는 대신 수축한다. 마모와 손상을 줄이는 분자 덕분에 폴리머를 더 오래 쓸 수 있게 만들 것이다. 이 애플리케이션은 플라스틱 폰 케이스부터 미사일까지 모든 것에 사용될 수 있다.
다양한 형태의 플라스틱을 포함하는 폴리머는, 함께 결합된, 많은 더 작은 분자들로 구성된다. 이 결합은 폴리머를 특히 강하고, 다양한 품목들에서 섬세한 성분들을 보호하는데 사용될 수 있는 이상적인 제품으로 만든다. 그러나 시간, 사용 그리고 다른 환경에 노출됨에 따라, 모든 재료들이 나빠지기 시작한다.
뜨거운 것부터 차가운 것의 반복 노출이 문제
재료 열화의 가장 큰 요인 중 하나는 고온에서 저온으로의 반복 노출이다. 대부분의 재료는 가열하면 팽창하고 냉각하면 수축하지만, 각각의 재료는 고유한 변화율을 가진다. 예를 들어 폴리머는 가장 많이 팽창하고 수축한다. 금속과 세라믹은 가장 적게 수축한다. 이것은 이 재료들을 결합할 때 문제를 일으킬 수 있다.
에리카는 대부분의 물건들이 한 종류 이상의 물질로 구성되어 있다고 말했다. “예를 들어, 플라스틱 하우징이 유리 스크린에 결합되어 있고, 그 안에 회로를 구성하는 금속과 세라믹이 있는 휴대폰을 예로 들어보자. 이 물질들은 모두 나사로 고정되어 있거나, 접착되어 있거나, 어떻게든 결합되어 있으며, 시간이 지남에 따라 서로에게 스트레스를 줄 수 있는 다른 속도로 팽창하고 수축하기 시작할 것이다.”
에리카의 아이디어가 탄생한 데는 샌디아의 많은 고객들로부터 들어온 불평에서 비롯되었다. “고객들은 항상 열팽창 불일치 문제와 보상하기 위해 추가해야 하는 모든 충전제 때문에 기존 시스템이 어떻게 작동하기에 어려운지에 대해 이야기해왔다. 만약 내가 완벽한 재료를 생각해내면 어떨까? 그것은 어떻게 생겼을까?”
라고 생각했다. 에리카와 그녀의 팀은 이제 문제를 해결했다고 믿는다.
활동 중인 분자
연구팀은 분자의 특성을 바꾸기 위해 분자가 폴리머에 쉽게 통합될 수 있도록 분자를 변형시켰다. “이것은 가열할 때, 팽창하는 대신, 모양의 변화를 겪음으로써 실제로 수축하는 독특한 분자이다. 또한, 폴리머에 첨가 될 때, 이는 그 폴리머가 금속과 비슷한 팽창과 수축 값에 도달하면서, 덜 수축하게 된다. 금속처럼 행동하는 분자를 갖는 것은 꽤 주목할 만한 것이다”라고 에리카는 말했다.
분자의 무한한 가능성
이 분자는 무한한 방식으로 사용될 수 있다. 폴리머는 전자 공학, 통신 시스템, 태양 전지판, 자동차 부품, 인쇄 회로 기판, 항공 우주 응용, 국방 시스템, 바닥재 등에서 보호 코팅으로 사용된다.
“이 분자는 현재의 문제를 해결할 뿐만 아니라 미래에 더 많은 혁신을 위한 설계 공간을 상당히 개방한다”라고 특히 국방 시스템에서 잠재적인 적용을 검토해 온샌디아 연구소의 화학 엔지니어 제이슨 더거가 말했다.
본 발명의 또 다른 핵심은 3D프린팅과 같은 다른 비율로 폴리머의 다른 부분에 통합될 수 있다는 점이다.
제이슨은 “한 영역에는 특정 열 거동이 있는 구조물을 인쇄하고, 다른 영역에는 다른 열 거동이 있는 구조물을 인쇄하여 항목의 다른 부분에 있는 재료와 일치시킬 수 있다”라고 말했다.
또 다른 이점은 무거운 충전재를 제거함으로써 재료의 무게를 줄이는 것을 돕는 것이다. “이는 우리가 질량을 줄이기 위해 훨씬 더 가벼운 일들을 할 수 있게 해줄 것 이다. 예를 들어, 위성을 발사할 때 특히 중요하다. 우리가 절약할 수 있는 모든 그램은 엄청나다”라고 제이슨은 말했다.
에리카는 또한 이 분자가 접착제에 통합될 수 있다고 믿는 에폭시 제형 제조기에 의해 접근되었다고 말했다.
분자 발명의 다음 단계
에리카 팀은 아주 적은 양으로만 이 분자를 만들어냈지만, 이들은 연구소에서 그 분자를 임무에 적합하게 실험할 수 있도록 생산 규모를 늘리기 위해 노력하고 있다.
샌디아 연구소의 유기 화학자 채드 슈타이거는 “7~10그램 사이를 만드는데 약 10일이 걸린다”며 “이 분자의 합성은 불행하게도 긴 시간이다. 더 많은 단계가 더 많은 시간과 더 많은 돈이 드는 것과 같다. 폴리머의 경우, 광범위한 채택에 더 저렴할수록 좋다”라고 말했다.
연구원들은 시장을 위한 제품을 준비하는 것을 돕는 샌디아 연구소의 기술 성숙 프로그램을 통한 자금 지원을 사용하여 단계를 줄이기 위해 노력하고 있다.
