다공성 금속 제조를 위한 초음파 나노구조화

초음파화학은 나노소재의 설계 및 기능화에 매우 효과적인 도구이다. 야금 분야에서 초음파 조사는 다공성 금속의 형성을 촉진한다. Daria Andreeva 박사 연구팀은 메조다공성 금속을 제조하기 위한 효과적이고 비용 효율적인 초음파 보조 공정을 개발했다.

다공성 금속은 내식성, 기계적 강도, 극도로 높은 온도를 견디는 능력과 같은 뛰어난 특성으로 인해 다양한 기술 분야에서 큰 관심을 끌고 있다. 이러한 특성은 지름이 불과 수 나노미터인 기공을 가진 나노구조 표면에 기반한다. 메조다공성 소재는 기공 크기가 2–50 nm인 반면, 미세다공성 소재는 기공 크기가 2nm 미만이다. 바이로이트 대학교 물리화학 II 학과의 Daria Andreeva 박사가 참여한 국제 연구팀은 이러한 금속 구조의 설계와 제조를 위한 강력하고 비용 효율적인 초음파 공정을 성공적으로 개발했다.

이 공정에서는 정밀하게 규정된 간격으로 수 나노미터 크기의 공동이 형성되도록 수용액에서 금속을 처리한다. 이러한 맞춤형 구조에는 공기 정화, 에너지 저장, 의료 기술을 비롯한 광범위한 혁신적 응용 분야가 이미 존재한다. 특히 유망한 분야는 나노복합재에서의 다공성 금속 활용이다. 나노복합재는 매우 미세한 매트릭스 구조에 최대 20 나노미터 크기의 입자가 채워진 새로운 종류의 복합재료이다.

이 새로운 기술은 초음파로 기포를 생성하는 과정을 활용하며, 물리학에서는 이를 캐비테이션이라고 한다(라틴어 “cavus” = “속이 빈”에서 유래). 해운 분야에서는 이 과정이 선박 프로펠러와 터빈에 큰 손상을 일으킬 수 있어 우려의 대상이다. 회전 속도가 매우 높으면 수중에서 수증기 기포가 형성되기 때문이다. 기포는 극도로 높은 압력에 잠시 노출된 후 안쪽으로 붕괴하면서 금속 표면을 변형시킨다. 이러한 캐비테이션 과정은 초음파를 사용해서도 일으킬 수 있다. 초음파는 가청 범위(20 kHz)를 넘는 주파수의 압축파로 이루어지며, 물과 수용액에서 진공 기포를 생성한다. 이러한 기포가 내파할 때 수천 도의 섭씨 온도와 최대 1000 bar의 극도로 높은 압력이 발생한다.

위 개략도는 음향 캐비테이션이 금속 입자의 개질에 미치는 영향을 보여준다. 아연(Zn)처럼 녹는점(MP)이 낮은 금속은 완전히 산화된다. 니켈(Ni)과 티타늄(Ti)처럼 녹는점이 높은 금속은 초음파 처리 시 표면 개질이 일어난다. 알루미늄(Al)과 마그네슘(Mg)은 메조다공성 구조를 형성한다. 귀금속은 산화에 대한 안정성으로 인해 초음파 조사에 저항성을 보인다. 금속의 녹는점은 켈빈(K)으로 표시되어 있다.

금속이 특정한 물리적·화학적 특성을 갖는 경우, 이 공정을 정밀하게 제어하면 수용액에 현탁된 금속을 목표한 형태로 나노구조화할 수 있다. Daria Andreeva 박사가 골름, 베를린, 민스크의 동료들과 함께 입증했듯이, 금속마다 이러한 초음파 처리에 매우 다르게 반응하기 때문이다. 아연, 알루미늄, 마그네슘처럼 반응성이 높은 금속에서는 산화물 코팅으로 안정화된 매트릭스 구조가 점차 형성된다. 그 결과 다공성 금속이 생성되며, 예를 들어 이를 추가 가공하여 복합재료에 사용할 수 있다. 그러나 금, 백금, 은, 팔라듐과 같은 귀금속은 다르게 거동한다. 산화 경향이 낮기 때문에 초음파 처리에 저항성을 보이며 초기 구조와 특성을 유지한다.

위 사진은 초음파를 알루미늄 합금의 부식 방지에도 사용할 수 있음을 보여준다. 왼쪽: 부식성이 매우 강한 용액에 담긴 알루미늄 합금의 사진이며, 그 아래는 초음파 처리로 고분자 전해질 코팅이 형성된 표면의 전자현미경 이미지이다. 이 코팅은 21일 동안 부식을 방지한다. 오른쪽: 초음파 처리를 하지 않은 동일한 알루미늄 합금이다. 표면이 완전히 부식되어 있다.

금속마다 초음파 처리에 현저히 다르게 반응한다는 사실은 재료과학 분야의 혁신에 활용할 수 있다. 합금은 더 안정한 물질의 입자가 덜 안정한 금속의 다공성 매트릭스에 둘러싸인 나노복합재로 전환될 수 있다. 그 결과 매우 제한된 공간에 매우 큰 표면적이 형성되므로, 이러한 나노복합재를 촉매로 사용할 수 있다. 이들은 특히 빠르고 효율적인 화학 반응을 일으킨다.

Daria Andreeva 박사와 함께 물리화학 II 학과 소속인 Andreas Fery 교수, Nicolas Pazos-Perez 박사, Jana Schäferhans 연구원이 연구 성과에 기여했다. 이들은 골름의 막스 플랑크 콜로이드 및 계면 연구소, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH, 민스크의 벨라루스 국립대학교 동료들과 함께 최신 연구 결과를 학술지 “Nanoscale”에 온라인으로 발표했다.