나노기술 및 정책 정보

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펜실베이니아 대학교(University of Pennsylvania)와 영국의 맨체스터 대학교(University of Manchester) 공동연구팀이 원자 하나 두께인 얇은 막의 가장 작은 구멍을 통해 초고속 가스 흐름을 확인했음. 이러한 나노 다공성 막의 생성에 대한 Penn의 또 다른 연구와 함께 이 연구는 물과 가스 정화에서 공기질 모니터링 및 에너지 수확에 이르기까지 다양한 응용 분야에 대한 가능성을 제시함.

20 세기 초에 유명한 덴마크 물리학자인 Martin Knudsen은 가스 흐름을 설명하기 위한 이론을 세웠었음. 더 좁은 기공의 새로운 시스템은 가스 흐름에 대한 Knudsen의 이론에 도전했었지만 여전히 유효했으며 크기가 감소됨에 따라 이 이론이 어느 지점에서 맞지 않게 될지 예측할 수 없었음. Marija Drndic 교수가 이끄는 펜실베이니아 대학팀과 협력하여 Radha Boya 교수가 이끄는 맨체스터 대학팀은 Knudsen의 설명이 궁극적인 원자 한계에서도 사실인 것처럼 보인다는 것을 처음으로 보여주었음. 2 차원 (2D) 물질의 연구는 빠르게 발전하고 있으며, 이제 연구자들은 원자층의 얇은 막을 만드는 것이 일상적임. 펜실베이니아에 있는 Drndic 교수 팀은 이황화 텅스텐의 단층에 원자 한 개 너비의 구멍을 뚫는 방법을 개발하였음. 그러나 한 가지 중요한 질문이 남았음. 원자 크기의 구멍을 가스가 통과했는지 실제로 하나씩 수동으로 확인하지 않고 검사하는 것임. 이전에는 구멍이 있고 원하는 크기인지 확인하는 유일한 방법은 고해상도 전자 현미경으로 구멍을 직접 관찰하는 것이었음. Boya 교수 팀은 원자 구멍을 통과하는 가스 흐름을 측정하는 기술을 개발하고 그 흐름을 구멍 밀도를 정량화하는 도구로 사용하였음. 그녀는 다음과 같이 말했음 : "봐야 믿을 수 있다는 것은 의심의 여지가 없지만, 멋진 현미경으로 만 원자 구멍을 볼 수 있다는 점에서 상당히 제한적이었습니다. 여기 가스 흐름을 측정할 수 있는 장치가 있습니다. 또한 흐름을 가이드로 사용하여 막에 얼마나 많은 원자 구멍이 있었는지 추정합니다. "

달성된 가스 흐름은 문헌에서 옹스트롬 규모의 기공에서 이전에 관찰된 흐름보다 몇 배 더 큼. 투과전자현미경 이미징(국부적으로 측정)과 가스 흐름(대규모로 측정)에 의한 원자 개구 밀도의 일대일 상관 관계가 이 연구에서 결합되었음. 맨체스터의 공동 저자인 S Dar는 "놀랍게도 이러한 작은 구멍을 통과하는 흐름에 최소한의 에너지 장벽도 없습니다."라고 덧붙였음.

Boya 교수는 다음과 같이 덧붙였음. "이제 우리는 가스 흐름을 사용하여 넓은 영역에 걸쳐 원자 구멍의 형성을 확인하는 강력한 방법을 가지고 있습니다. 이는 분자 분리, 가스 감지 및 모니터링을 포함한 다양한 영역에서 잠재적인 응용을 추구하는 데 필수적인 단계입니다."

본 연구 성과는 ‘Science Advances’ (“Gas flow through atomic-scale apertures”) 지에 게재됨