레이저로 나노튜브 실을 짜다.
레이저를 이용하여 질화붕소 섬유로부터 실용적인 최초의 거시적 실이 만들어짐으로써, 태양전지에서부터 더 강력한 방탄복에 이르기까지 다양한 분야에 응용할 수 있게 되었다.
질화붕소 나노튜브로 짠 실이 25센트 경화를 매달고 있다.
나사 랭글리연구센터(NASA’s Langley Research Center), 토마스 제퍼슨 국립가속기시설(Thomas Jefferson National Accelerator Facility) 및 국립항공우주연구소(National Institute of Aerospace)의 연구진이 결정성이 크고 직경이 작은 고품질 질화붕소 나노튜브(BNNTs)를 합성하는 기술을 개발했다. 또한 이 나노튜브들은 구조적으로 몇 개의 벽을 갖고 있으며 매우 길다. 질화붕소는 어릿광대의 분장과 안분에 쓰이는 흰색 물질이다. “다른 연구소에서 만든 나노튜브들은 매우 우수하지만 짧고, 그렇지 않으면 길지만 너무 지저분하다. 우리는 아주 길면서도 매우 우수한 나노튜브를 제작하는 기술을 개발했다.”라고 랭글리연구소 과학자인 마이크 스미스(Mike Smith)는 말했다.
가압증기응축기(pressurized vapor/condenser : PVC) 방식이라고 불리는 이번 합성기술은 제퍼슨연구소의 자유전자레이저로 개발되었고 그 후에 상용 용접레이저를 이용하여 완성되었다. 이 기술은 먼저 질소 가스로 채워진 챔버 내부에 있는 표적물을 레이저 빔으로 가격한다. 빔이 표적물을 기화시키면, 붕소 가스 구름이 형성된다. 냉각된 금속도선인 응축기가 붕소 구름 속에 들어간다. 응축기가 지나감에 따라 붕소 증기는 냉각되고, 그로 인해 액체 붕소 방울이 형성된다. 이 방울들은 질소와 결합하여 BNNT로 자기 조립된다.
연구진은 PVC 방식을 사용하여 센티미터 길이의 거시적인 실로 만들어지기에 충분히 긴 최초의 고품질 BNNT를 만들었다. 이 솜 같은 나노튜브 덩어리는 손으로 꼬아져서 약 1mm 폭의 실이 되었다. 이것은 이 나노튜브 자체의 길이가 약 1mm라는 의미다. “이 실은 크고 솜털 같으며 직물처럼 보인다. 이것은 직물을 제조하고 처리하는 상용 기술을 사용하여 방탄복이나 태양전지에 혼합하거나 그 밖의 다른 분야에 이용할 수 있다는 것을 의미한다.”라고 제퍼슨연구소의 전기공학자인 케빈조던(Kevin Jordan)은 말했다. 투과전자현미경 영상에서는 이 나노튜브들이 매우 좁고 평균 직경이 수 마이크로미터인 것으로 나타났다. 또한 비록 단일벽 나노튜브도 있었지만, BNNT는 몇 개의 벽을 갖는 경향이 있으며, 2~5개의 벽들을 갖는 경우가 가장 흔했다는 것이 TEM 영상에서 드러났다. 각각의 벽은 물질 층이며, 적은 수의 벽을 가진 나노튜브가 가장 바람직하다.
다음 과제는 이 새로운 질화붕소 나노튜브의 특성을 시험하여 이 신물질의 가장 좋은 용도를 찾는 일이라고 연구진은 말한다. 이들은 또한 생산공정을 개선하고 확장하려고 한다. “이론적으로 이러한 나노튜브들은 에너지, 의료 및 항공우주 분야에 응용될 수 있다.”라고 조던은 말했다. “이들 중 어떤 나노튜브들은 더 이상 가망이 없어지고 있고, 어떤 것들은 연구할 가치가 생기고 있지만, 물질을 손에 넣기까지는 알 수 없을 것이다.”라고 스미스는 말했다. 이번 연구는 저널 ‘Nanotechnology’ 12월 16일 호에 출판될 예정이며, 또한 미국재료학회의 2009년도 가을 학술회의에 제출되었다.
가압증기응축기 방식을 통해 형성된 질화붕소 나노튜브 섬유. 그림에 있는 수치는 임의 단위의 레이저 출력이다. 실제로는 약 1.5 kW이다. 레이저 열이 균등하게 분포되도록 표적물은 회전한다.
NEWPORT NEWS, Va., Dec. 3, 2009 – Lasers now have been used to create the first practical macroscopic yarns from boron nitride fibers, opening the door for an array of applications from solar cells to stronger body armor.
Researchers at NASA’s Langley Research Center, the Thomas Jefferson National Accelerator Facility and the National Institute of Aerospace have created a technique to synthesize high-quality boron-nitride nanotubes (BNNTs) that are highly crystalline and that have a small diameter. They also structurally contain few walls and are very long. Boron nitride is the white material found in clown makeup and face powder.
A yarn spun of boron-nitride nanotubes suspends a quarter. The nanotubes in this yarn were produced with a new technique discovered by researchers at NASA’s Langley Research Center, the US Department of Energy’s Thomas Jefferson National Accelerator Facility and the National Institute of Aerospace. The nanotubes are highly crystalline and have a small diameter. They also structurally contain few walls and are very long. (Photo: Jefferson Lab)
“Other labs can make really good nanotubes that are short or really crummy ones that are long. We’ve developed a technique that makes really good ones that are really long,” said Mike Smith, a staff scientist at Langley.
The synthesis technique, called the pressurized vapor/condenser (PVC) method, was developed with Jefferson Lab’s free-electron laser and later perfected using a commercial welding laser. In this technique, the laser beam strikes a target inside a chamber filled with nitrogen gas. The beam vaporizes the target, forming a plume of boron gas. A condenser, a cooled metal wire, is inserted into the boron plume. The condenser cools the boron vapor as it passes by, causing liquid boron droplets to form. These droplets combine with the nitrogen to self-assemble into BNNTs.
Researchers used the PVC method to produce the first high-quality BNNTs that are long enough to be spun into macroscopic yarn, in this case centimeters long. A cottonlike mass of nanotubes was finger-twisted into a yarn about 1 mm wide, indicating that the nanotubes themselves are about 1 mm long.
“They’re big and fluffy, textilelike,” said Kevin Jordan, a staff electrical engineer at Jefferson Lab. “This means that you can use commercial textile manufacturing and handling techniques to blend them into things like body armor and solar cells and other applications.”
Transmission electron microscope (TEM) images showed that the nanotubes are very narrow, averaging a few microns in diameter. TEM images also revealed that the BNNTs tended to be few-walled, most commonly with two to five walls, although single-wall nanotubes also were present. Each wall is a layer of material, and fewer-walled nanotubes are the most sought after.
The researchers say the next step is to test the properties of the new boron-nitride nanotubes to determine the best potential uses for the new material. They also are attempting to improve and scale up the production process.
“Theory says these nanotubes have energy applications, medical applications and, obviously, aerospace applications,” Jordan said.
“Some of these things are going to be dead ends, and some are going to be worth pursuing, but we won’t know until we get material in people’s hands,” Smith said.
The research will be published in the Dec. 16 issue of the journal Nanotechnology. It also was presented today at the 2009 Materials Research Society Fall Meeting. The research was supported by the NASA Langley Creativity and Innovation Program, the NASA Subsonic Fixed Wing program, Jefferson Lab and the Commonwealth of Virginia. The experiments were hosted at Jefferson Lab.
For more information, visit: www.jlab.org
Source : KISTI, photonics.com
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