Graphene Oxide Aerogels with Ultra-Low Thermal Conductivity

열은 끊임없이 이동하는 여행자입니다. 건물이 내부를 쾌적하게 유지하기 위해 막대한 양의 세계 에너지를 소비하는 현대 사회에서, 원치 않는 열 손실과의 싸움은 핵심적인 과제입니다. 우리가 집을 짓는 데 사용하는 재료, 특히 표준적인 시멘트와 콘크리트는 종종 이 흐름을 막는 데 서툴러서 겨울에는 온기가 빠져나가게 하고 여름에는 열기가 들어오게 합니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 에어로젤이라 불리는 일련의 물질에 주목합니다. 이 물질들은 공기로 가득 차 있어 매우 가벼우며, 열에 대한 탁월한 장벽 역할을 합니다. 거의 빈 공간이나 다름없는 고체 물질, 즉 구멍이 너무 작고 많아서 공기가 열을 실어 나르기 위해 움직일 수 없도록 효과적으로 가두는 고체 물질로 만들어진 스펀지를 상상해 보십시오. 이 개념은 에너지 효율성을 위한 오랜 목표였지만, 이러한 물질을 저렴하고 단순하며 조절 가능한 특성을 갖추도록 만드는 것은 여전히 난제로 남아 있습니다.

파트라스 대학교와 그리스 연구 기술 재단의 연구팀은 그래핀 옥사이드라고 알려진 탄소의 한 형태를 활용하여 이 목표를 향한 중요한 진전을 이루었습니다. 이 물질은 물과 섞였을 때 하이드로젤이라고 불리는 두꺼운 젤 형태의 물질로 시작하여, 건조한 스펀지 형태의 고체인 에어로젤로 변할 수 있습니다. 연구진은 이 물질의 구조가 열 전도 능력에 어떻게 영향을 미치는지 정확히 이해하고자 했습니다. 그들은 이 물질을 매우 다공성이고 가볍게 만들어 열이 통과하는 것을 거의 완전히 차단할 수 있는, 즉 건물 및 기타 응용 분야를 위한 우수한 단열재를 만들 수 있는지 확인하고 싶었습니다.

연구팀은 먼저 그래핀 옥사이드 시트의 안정적인 액체 혼합물을 만드는 것으로 시작했습니다. 그들은 이 혼합물을 틀에 붓고 부드럽게 가열했습니다. 물이 증발함에 따라, 아주 작은 탄소 시트들이 자발적으로 서로 연결되어 연속적인 3차원 네트워크를 형성했습니다. 이 과정은 대부분 물로 이루어져 있지만 고체 골격에 의해 유지되는 하이드로젤을 생성했습니다. 이 젖은 젤 구조가 열을 얼마나 잘 전도하는지 측정했을 때, 연구진은 이것이 에너지를 전달하는 데 놀라울 정도로 효율적이라는 것을 발견했습니다. 열은 미터당 켈빈당 1.50와트의 비율로 물질을 통해 이동했습니다. 이 높은 값은 시트들이 밀집되어 있어 열이 따라갈 수 있는 조밀하고 연속적인 경로를 형성했기 때문인데, 이는 마치 사람들이 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 빠르게 이동할 수 있는 붐비는 복도와 같습니다.

진정한 단열재를 만들기 위해 연구진은 이 밀집된 구조를 훨씬 더 개방적인 구조로 바꾸어야 했습니다. 그들은 하이드로젤을 가져와 탄소 시트에 붙어 있는 산소 원자를 제거하는 화학적 공정을 거쳐, 물질을 환원된 그래핀 옥사이드로 변환했습니다. 그런 다음 '상압 건조'라고 알려진 기술을 사용하여 섬세한 구조를 뭉개뜨리지 않고 남은 모든 물을 조심스럽게 제거했습니다. 그 결과, 99%가 공기로 이루어진 초경량 에어로젤이 탄생했습니다. 이 물질은 너무 가벼워서 1세제곱센미터의 무게가 약 26밀리그램에 불과했습니다. 연구팀이 이 건조한 스펀지 형태의 고체를 테스트했을 때 결과는 놀라웠습니다. 열전도율은 단 0.021와트 퍼 미터 퍼 켈빈(W/m·K)까지 떨어졌습니다. 이 수치는 오늘날 건설 현장에서 사용되는 많은 표준 단열재보다 현저히 낮으며, 이와 같은 유형의 그래핀 기반 물질 중 기록된 것 중 가장 낮은 수준 중 하나입니다.

젖은 젤과 건조한 에어로젤 사이의 극적인 차이는 열이 어떻게 이동하느냐에 달려 있습니다. 밀집된 하이드로젤에서는 고체 탄소 시트들이 자주 서로 맞닿아 있어 열이 쉽게 흐를 수 있었습니다. 반면 에어로젤에서는 고체 골격이 믿을 수 없을 정도로 얇고 드문드문하며, 넓은 공기 주머니들에 의해 분리되어 있습니다. 고체 경로가 끊어져 있고, 미세한 구멍 속에 갇힌 공기는 에너지를 운반하기 위해 자유롭게 움직일 수 없기 때문에 열이 이 간극을 가로지르는 데 어려움을 겪습니다. 연구진은 에어로젤의 구조가 열을 전달하는 진동인 '포논(phonon)'을 직선으로 이동하게 하는 대신, 사방으로 흩어지고 튕겨 나가게 한다는 것을 관찰했습니다. 이러한 산란 현상은 고체가 열을 전도하는 기능의 부족과 결합하여 에너지의 흐름을 효과적으로 차단합니다.

이러한 결론에 도달하기 위해 연구팀은 값비싸고 전문적인 실험실 장비에 의존하지 않고도 이러한 특성을 측정할 수 있는 실용적이고 접근 가능한 방법을 개발했습니다. 그들은 표준 열화상 카메라를 사용하여 가열된 필름이 얼마나 빨리 냉각되는지 관찰했으며, 더 두꺼운 젤과 에어로젤 샘플을 통해 열이 어떻게 이동하는지 측정하기 위해 직접 제작한 장치를 사용했습니다. 이러한 관찰 결과와 물질이 저장할 수 있는 에너지량에 대한 측정을 결합하여, 그들은 신뢰할 수 있는 수준으로 열전도율을 계산했습니다. 그들의 연구는 초단열재를 만드는 핵심이 단순히 물질 자체에 있는 것이 아니라, 그것이 어떻게 배열되어 있느냐에 있다는 것을 확인시켜 줍니다. 기공률과 시트 사이의 연결을 제어함으로써, 그들은 동일한 기본 물질이 열을 효율적으로 전도하거나 열을 거의 완전히 차단하도록 조정될 수 있음을 입증했습니다.

이 연구 결과는 이러한 그래핀 유래 젤이 차세대 열 관리 분야에 유망한 경로를 제공한다는 것을 시사합니다. 비교적 단순한 화학 공정과 직관적인 건조 방법을 사용하여 매우 낮은 열전도율을 가진 물질을 생산할 수 있는 능력은 실제 사용 가능성을 높여줍니다. 연구진은 다른 연구들이 이보다 더 낮은 전도율 값을 달성하기도 했지만, 그러한 방식은 대개 더 복잡하거나 비용이 많이 드는 방법을 필요로 한다고 언급했습니다. 여기서 설명된 물질은 극한의 성능과 더불어 재현하기 쉬운 합성 경로 사이의 균형을 맞추고 있습니다. 이 작업은 에너지 효율적인 건축 자재의 미래가 탄소의 미시적 구조를 조작하는 데 있을 수 있음을 강조합니다. 즉, 자연적으로 열을 잘 전달하는 물질을, 단순히 그것을 대부분 빈 공간으로 만듦으로써 알려진 최고의 단열재 중 하나로 바꾸는 것입니다.