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그래핀은 2차원 박층(薄層) 구조로 큰 잠재력을 가지는 새로운 윤활 소재에 속함. 최근 수년 간 원자 두께의 그래핀은 미시 접촉 스케일에서 초(超) 슬립(Super-slip) 특성을 보이며, 거시적 접촉 방식에서 우수한 마찰 특성을 나타내는 데, 이런 특성은 이상적인 그래핀 표면 구조에 의존한다는 점이 입증되었음.

그래핀 마찰 표면 구조에 대한 제어는 우수한 마찰 성능을 얻을 수 있어 실제 응용에서 중요한 의미를 가짐.

중국과학원 란저우(蘭州) 화학물리 연구소의 "마모(abrasion) 및 표면 공정 연구팀"은 최근 마찰력에 의한 산화 그래핀이 이상적인 그래핀 표면 구조로 전환하는 현상을 발견하였음. 칭화(淸華, 청화) 대학교 마톈바오(馬天寶, 마천보) 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 관련 실험과 분자 동력학 시뮬레이션을 결합하여 구조 변천 과정에서의 분자 역할 메커니즘과 법칙에 대한 분석을 하였음. 간편한 마찰력을 이용하여 선택 구역의 그래핀 표면 구조를 제어할 수 있는 새로운 방법을 개발하였음.

연구팀은 거시적 볼-디스크(Macro ball-disk) 접촉 마찰 실험을 통해 마찰 궤도상의 산화 그래핀이 완벽한 그래핀 구조의 대형 사이즈로 전환한다는 점을 발견하였음. 연구팀은 실험을 통해 산화 그래핀 히드록실 기능 그룹(Hydroxyl functional group)의 감소 및 물 분자 유출을 검출해 냈으며, 이 과정은 정압(Static pressure) 구동이 아닌 마찰력으로 인해 발생하는 전환 과정이며, 활성 결합과 보조로 마찰이 있을 때 이런 전환 현상 발생에 더욱 도움이 됨.

연구팀은 분자 동력학 시뮬레이션 계산과 결합하여 전환 과정에서의 분자 역할 메커니즘을 해석하고, 슬립 마찰력 전단 구동에서 산화 그래핀을 활성화한 히드록실 기능 그룹과 마찰 조합의 활성 결합 및 서로 인접해 있는 그래핀 층의 히드록실 기능 그룹 간의 화학적 상호 작용이 C-OH 결합의 단절을 유도한다는 점을 발견하였음.

단철 후의 탄소 원자는 sp3 상태에서 에너지가 더욱 안정적인 sp2 상태로 전환하여 6각형 구조의 자체적인 복구를 하게 되며, 단절 후의 -OH기 또는 서브 스크립션 결합, 또는 인접한 슬라이스 층 –OH 상의 수소를 탈취하여 물 분자를 생성시키고 유출하게 됨.

전체 마찰 과정에서 산화 그래핀은 그래핀 구조로의 전환을 통해 마찰 계수를 한층 더 감소시키고 안정될 수 있도록 하는데 이런 마찰 구조 변환 현상을 이용하여 능동적인 조정 제어를 하고 마찰면에서 이상적인 그래핀 구조를 얻고 안정적이면서 장기간 효율적인 윤활 상태를 실현할 수 있음.

연구팀은 구조 전환 과정과 동반하는 마찰력으로 인해 발생하는 물 분자 탈취 및 유출 행위를 이용하여 물 분자에 대한 모니터링에 성공함으로써 강력한 센싱을 위한 새로운 아이디어를 제공하였음.

본 연구 성과는 ‘Advanced Functional Materials’ ("Shear‐Induced Interfacial Structural Conversion of Graphene Oxide to Graphene at Macroscale") 지에 게재됨.