인간이 만든 물질 중 가장 얇고 유연하면서도 다이아몬드처럼 강해 방탄복 등에 사용될 잠재력 커

우리는 일상생활에서 자주 그래핀을 접하지만 그런 사실을 모르는 경우가 많다. 연필심에 사용돼 우리에게 친숙한 흑연은 탄소들이 벌집 모양의 육각형 그물로 배열된 평면들이 층으로 쌓여 있는 구조다. 이 흑연에서 육각형 그물의 한 층을 벗겨낸 것을 그래핀이라 부른다. 단층 원자로 구성된 탄소 동소체로 나노미터의 두께로 이뤄진다. 이 놀라운 ‘꿈의 소재’는 2004년 처음 흑연에서 분리된 이래 용도가 매우 다양할 것으로 기대됐다. 가장 최근엔 연구자들이 총알을 막아 인명을 구하는 데도 사용될 수 있다는 사실을 확인했다.

그래핀은 두께가 0.2나노미터에 불과하지만 미국 뉴욕시립대학(CUNY) 과학자들의 새 연구에 따르면 방탄 소재로 충분히 사용될 수 있을 정도로 강하다. 과학자들은 그래핀 원자층 2개를 붙이면 다이아몬드로 자를 수 없을 정도로 강해진다는 사실을 발견했다. 다이아몬드는 자연적으로 생성되는 물질 중 가장 강도가 높다.

이번 연구를 이끈 CUNY 첨단과학연구센터의 물리학 교수 엘리사 리도는 “그래핀 2개 층에 다이아몬드 날의 끝부분을 압착하자 그래핀이 다이아몬드처럼 변했다”고 설명했다. “다이아몬드 날로 그래핀 2개 층을 뚫을 수 없었다. 강도가 아주 높은 그래핀 1개 층에서도 다이아몬드 날로 구멍을 낼 수 있다. 그래핀 5개 층이나 흑연 조각도 마찬가지로 다이아몬드 날을 견디지 못하고 구멍이 난다.” 이런 현상이 정확히 두 층의 그래핀에서만 발견된다는 점이 흥미롭다. 1개 층이나 3개 층 이상이면 안 된다는 뜻이다.

그들이 발견한 그래핀-다이아몬드 변이 과정은 되돌리기도 가능하다. 외압이 가해지기 전까지는 부드럽고 유연하지만 일단 외압이 가해지면 단단해지고 그 후 압력이 떨어지면 다시 부드러운 원래 상태로 돌아간다는 뜻이다. 리도 교수팀은 그런 ‘그래핀-다이아몬드 변이’(그들은 그것을 ‘다이아민’으로 이름 붙였다) 과정을 지속적인 상태로 만들기를 원한다. 성공한다면 그 소재는 널리 사용될 수 있다. 리도 교수는 유연성을 고려하면 옷감 후보로 이상적이라며 아직 옷감처럼 넓은 소재로 실험해보진 않았다고 말했다. “현재 우린 그런 현상을 입증했지만 1㎠ 샘플로 실험했다. 예를 들면 스웨터 한 벌 전체를 만들 수 있는 옷감에도 그런 현상이 적용될 수 있는지는 앞으로 실험을 통해 확인해야 한다. 하지만 그건 공학적인 문제일 뿐이다. 원리가 밝혀졌기 때문에 이젠 이 소재로 옷 만드는 방법만 알아내면 된다.”

그래핀으로 만든 방탄복은 다이아민으로 우리 생활을 증진할 수 있는 한 사례일 뿐이다. 그래핀의 구멍을 작게 만들어 물은 통과시키지만 소금은 차단되는 정수 필터를 연구하는 과학자들도 있다. 기존의 정수 시스템과 달리 그래핀은 고압을 견딜 수 있어 소요되는 에너지의 양이 훨씬 적다. 그 외에 과학자들은 ‘떨어뜨려도 깨지지 않는 화면’이라는 모든 스마트폰 사용자의 꿈을 실현해주는 디스플레이를 만드는 데도 그래핀을 사용할 수 있기를 기대한다.

- 재니사 델조 뉴스위크 기자

[뉴스위크 한국판 2018년 2월 5일자에 실린 기사를 전재합니다.]

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