나노기술 및 정책 정보

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네덜란드의 델프트 공과대학교(Delft University of Technology) 연구팀이 원자적으로 얇은 그래핀의 운동을 사용하여 비활성가스를 식별하였음. 이러한 가스는 화학적으로 수동적이며 다른 물질과 반응하지 않으므로 감지하기가 어려움. 그래핀은 단 한 층의 탄소 원자로 구성된 궁극적으로 얇은 물질임. 원자 두께는 가스와 액체를 위한 완벽한 필터 재료임. 그래핀 자체로는 투과성이 없지만 작은 구멍은 투과성을 매우 높일 수 있음. 또한 이 소재는 가장 강력하고 높은 응력을 견뎌냄. 이 두 가지 특성은 새로운 유형의 가스 센서를 위한 완벽한 기반을 제공함.

과학자들은 이중층 그래핀(두께 0.7nm)으로 만든 미세한 풍선을 사용하여 직경이 25nm까지 작은 나노 포어 천공을 사용하여 가스를 감지함. 그들은 레이저를 사용하여 풍선 내부의 가스를 가열하고 팽창시킴. 압축된 가스는 천공을 통해 빠져 나감. 연구팀은 공기가 빠져 나가면 수축되는 풍선에서 풍선이 수축하는 데 걸리는 시간을 측정함. 이렇게 작은 규모에서는 약 1 / 100.000 이내로 매우 빠르게 수축이 이루어짐. 흥미롭게도 시간의 길이는 가스의 종류와 기공의 크기에 따라 크게 달라짐. 예를 들어 분자 속도가 높은 가벼운 가스인 헬륨은 무겁고 천천히 움직이는 크립톤 가스보다 5 배 빠르게 빠져 나감. 이 방법은 일반적으로 큰 질량 분석기로 필요한 질량 및 분자 속도를 기준으로 가스를 구분하는데 활용되어 왔음.

그래핀 풍선은 100kHz의 고주파에서 광열력에 의해 지속적으로 구동되어 가스가 나노 기공을 통해 매우 빠르게 펌핑됨. 가스의 투과는 그래핀의 기계적 운동을 살펴봄으로써 연구할 수 있음. 낮은 펌핑 주파수에서 가스는 빠져 나갈 시간이 충분하며 그래핀의 움직임에 큰 영향을 주지 않음. 그러나 증가된 펌핑 빈도에서 멤브레인은 많은 양의 항력을 경험함. 특히 펌핑 기간이 가스가 풍선을 빠져 나가는 데 걸리는 일반적인 시간에 해당할 때 그러함. 다양한 주파수에서 측정함으로써 항력의 피크를 찾을 수 있음. 피크가 관찰되는 주파수는 가스의 투과 속도에 해당함. 연구팀은 이 아이디어를 나노 채널을 통한 가스의 흐름 연구로 확장했음. 풍선을 긴 채널에 연결하면 가스가 빠져 나가기가 훨씬 더 어려워짐. 수축 시간의 증가는 나노 채널 내의 가스 흐름 역학에 대한 실험적 통찰력을 제공함. 전체적으로 이 연구는 그래핀의 놀라운 특성이 나노 스케일에서 가스 역학을 연구하고 새로운 유형의 센서와 장치를 엔지니어링하는 데 어떻게 사용될 수 있는지 보여줌. 미래에는 소형의 저비용 다목적 센서 장치가 산업 응용 분야 또는 대기질 모니터링을 위한 가스 혼합물의 조성을 결정할 수 있을 것으로 기대됨.

본 연구 성과는 ‘Nature Communications’ (“High-frequency gas effusion through nanopores in suspended graphene”) 지에 게재됨