나노소자재

Nanoporous materials
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나노소재
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탄소 나노튜브
풀레레네스
기타 나노입자
나노 구조 재료

나노소재는 다공성 구조가 존재하는 일반적인 유기 또는 무기질 벌크 단계로 구성된다. 나노소재는 나노미터 단위를 사용하여 가장 적절하게 정량화된 공극 직경을 나타낸다. 따라서 나노소재의 모공 지름은 일반적으로 100나노미터 이하가 된다. 모공은 다른 다공성 물질과 마찬가지로 개방되거나 폐쇄될 수 있으며 모공 연결성과 보이드 비율이 상당히 다양하다. 열린 모공은 물질 표면과 연결되는 모공인 반면, 닫힌 모공은 벌크 소재 내 빈 공간 포켓이다. 열린 모공은 분자 분리 기술, 흡착 및 촉매 연구에 유용하다. 닫힌 모공은 주로 열절연체와 구조적 용도에 사용된다.[1]

대부분의 나노 물질은 벌크 물질이나 막으로 분류될 수 있다. 활성탄과 제올라이트는 벌크 나노소재의 두 가지 예인 반면, 세포막은 나노소막이라고 생각할 수 있다.[2] 다공성 매체 또는 다공성 물질은 모공(보이드)을 함유한 물질이다. 물질의 골격 부분은 흔히 "매트릭스" 또는 "프레임"이라고 불린다. 모공은 일반적으로 유체(액체 또는 기체)로 채워진다. 천연 나노소재도 많지만 인공소재도 제작이 가능하다. 그렇게 하는 한 가지 방법은 용융점이 다른 폴리머를 결합하여 가열할 때 한 폴리머가 분해되도록 하는 것이다. 모공 크기가 일정한 나노소재는 특정 물질만 통과시키면서 다른 물질은 차단하는 특성이 있다.[2]

분류

크기별 분류

나노소재라는 용어는 다양한 형태의 물질을 다양한 용도와 함께 포괄한다. IUPAC에 따르면 다공성 물질은 다음 3가지 범주로 세분된다.[3]

이러한 범주는 1에서 100 nm 사이의 공극 직경을 가지기 때문에 나노소재의 고전적 정의와 상충된다.[1] 이 범위는 위에 나열된 모든 분류를 포함한다. 그러나, 과학자들은 단순성을 위해 나노물질이라는 용어를 사용하고 대신 관련 직경을 열거한다.[1]

마이크로포커스 소재와 중간재료는 이러한 소재에서 모공 크기에 의해 제공되는 뚜렷한 용도 때문에 별도의 재료 등급으로 구분된다. 헷갈리게 마이크로포커싱이라는 용어는 흔히 나노포커스라고 부르는 물질보다 모공 크기가 작은 물질을 설명하기 위해 사용된다. 보다 정확히 말하면, 마이크로소재의 경우 나노소재의 부분집합, 즉 2nm 미만의 모공 직경을 보이는 물질로 더 잘 이해된다.[6] 분자의 길이 비늘을 가진 공극 직경을 가진 그러한 물질은 여과와 분리막과 같은 분자 선택성을 필요로 하는 응용을 가능하게 한다. 일반적으로 2-50nm 범위에서 평균 공극 직경이 있는 재료를 가리키는 중간재료는 표면적 대 부피 비율이 높기 때문에 촉매 서포트 재료 및 애드벤트로 흥미롭다.

직경이 다양한 다공성 소재가 있을 수 있어 크기별로 분류하기가 까다로워지기도 한다. 예를 들어, 미세한 물질은 무작위 곡물 패킹으로 인해 직경이 2 ~ 50 nm인 몇몇 모공을 가질 수 있다.[3] 이러한 세부 사항은 모공 크기별로 분류할 때 반드시 고려되어야 한다.

네트워크 재료별 분류

나노소재는 크기별 분류 외에도 유기물 및 무기물 네트워크 재료로 더욱 분류할 수 있다.[3] 네트워크 재료는 모공을 '호스트'하는 구조로, 매질(가스 또는 액체)이 기질과 상호작용하는 곳이다.[3] 무기 나노막은 풍부하지만 안정성의 문제로 유기막은 거의 없다.[7]

유기농

유기 나노소재는 붕소, 탄소, 질소, 산소 등의 원소로 만들어진 중합체다.[8] 이러한 물질은 중음속/초음속 구조가 존재하지만 대개 극소량이다.[8] 여기에는 공밸런트 유기물 프레임워크(COF), 공밸런트 트라이아진 프레임워크, 내인성 마이크로포도성의 폴리머(PIM), 하이퍼크로스링크된 폴리머(HCP), 혼합형 마이크로파 폴리머(CMP)가 포함된다.[8] 이들 각각은 서로 다른 구조와 제조 단계를 가지고 있다. 일반적으로 유기 나노소재를 만들기 위해 2가지 이상의 분지(즉, 공밸런트 결합)를 가진 모노머를 용매에 녹인다. 모노머가 추가되고 중합이 발생한 후 용매를 제거하고 남은 구조물은 나노소재로 간주한다.[8]

유기 나노소재는 결정체와 비정형 네트워크로 더욱 분류할 수 있다.[8] 결정체 네트워크는 모공 크기가 잘 정의된 물질이다. 모공 크기는 모노머를 바꾸는 것만으로 다른 모공 크기를 얻을 수 있을 정도로 정의가 잘 되어 있다.[8] COF는 그러한 결정 구조의 한 예다. 이와는 대조적으로, 비정형 나노소재는 모공 크기의 분포를 가지고 있으며, 대개 질서정연하다. 예를 들어 PIM이 있다. 두 범주 모두 기체 흡착과 촉매 반응에서 다양한 용도를 가지고 있다.[8]

무기체

무기 나노 물질은 산화형, 탄소, 이항, 순수 금속 물질의 사용을 포함하는 다공성 물질이다. 예를 들면 제올라이트, 나노 알루미나, 타이타니아 나노튜브 등이 있다.[3] Zeolite는 결정수분이 많은 텍토미노실산염이다. 이 물질은 알칼리/알칼리 토금속, 알루미나, 실리카 하이드레이트의 조합이다. 이것들은 이온 교환 침대와[9] 정수용으로 사용된다.[10] 나노포자 알루미나(Nanopusic alumina)는 다양한 치과 및 정형외과 임플란트에 널리 사용되는 생체적합성 물질이다.[11] 타이타니아 나노튜브는 정형외과에서도 사용되지만 산소에 노출되면 티타늄 산화층을 형성할 수 있어 특별하다.[12] 이 물질은 표면이 산화방지되어 있어 놀라운 기계적 강도로 생체적합성이 뛰어나다.[12]

적용들

가스 저장/센싱

가스 저장은 에너지, 의료 및 환경적 응용에 매우 중요하다. 나노소재는 흡착을 통한 독특한 가스 저장 방법이 가능하다.[13] 기질과 기체가 상호작용을 할 때 기체 분자는 물리적 저장과 화학 저장으로 알려진 나노 물질과 물리적으로 결합하거나 공동 결합할 수 있다.[14] 병과 같은 대량 단계에서는 가스를 저장할 수 있지만 나노소재는 저장 밀도를 높일 수 있어 에너지 용도에 매력적이다.[13]

이 애플리케이션의 한 예는 수소 저장이다. 기후변화가 시작되면서 배출 제로 차량, 특히 연료전지 전기차 등에 대한 관심이 높아지고 있다.[15] 다공성 소재를 이용해 수소를 고밀도로 저장하면 전기차 주행거리를 늘릴 수 있다.[13]

나노소재의 또 다른 사용 사례는 가스센서의 기질이다. 예를 들어 다공성 금속의 전기 저항성을 측정하면 기체 형태로 분석 물질의 정확한 농도를 산출할 수 있다.[1] 기질의 저항성은 다공성 매체의 표면적에 비례하기 때문에 나노소재를 사용하면 기체 종을 대량으로 검출하는 것보다 더 높은 민감도를 얻을 수 있다. 이것은 특히 나노소재의 유효 표면적이 상경 표면적에 평준화되기 때문에 유용하다.

생물학적 응용 프로그램

나노소재는 생물학적 응용에도 사용된다. 생물학적 응용에서 효소 촉매반응은 대사 및 대분자 처리에 매우 활용된다. 나노소재는 다공성 기질에 효소를 내장할 수 있는 기회를 제공해 장기 임플란트 반응의 수명을 향상시킨다.[1] 또 다른 응용은 DNA 염기서열에서 발견된다. 단열재에 무기 나노섬유 막을 코팅함으로써 나노포어를 단분자 분석에 활용할 수 있다. 이 나노포어를 통해 DNA를 꿰매면 네 개의 뉴클레오티드 중 하나와 상관관계가 있는 이온 전류를 모공을 통해 알아낼 수 있다.[16]

참조

  1. ^ a b c d e Lu, G. Q. Max; Zhao, Xiu Song (2004-11-22). Nanoporous Materials: Science And Engineering. World Scientific. ISBN 978-1-78326-179-6.
  2. ^ a b Holister, Paul. "Nanoporous Materials" (PDF). Cientifica. Retrieved 6 February 2013.
  3. ^ a b c d e Polarz, Sebastian; Smarsly, Bernd (2002). "Nanoporous materials". Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 2 (6): 581–612. doi:10.1166/jnn.2002.151. ISSN 1533-4880. PMID 12908422.
  4. ^ "IUPAC Gold Book - microporous carbon".
  5. ^ a b "IUPAC Gold Book - macroporous polymer".
  6. ^ 비스프로필루레아 브리지 폴리실세퀴옥산: 분자 인식을 위한 미세한 MOF 같은 물질. 화학권(2021), 276, 130181
  7. ^ Hentze, H.-P; Antonietti, M (2001-08-01). "Template synthesis of porous organic polymers". Current Opinion in Solid State and Materials Science. 5 (4): 343–353. doi:10.1016/S1359-0286(01)00008-0.
  8. ^ a b c d e f g Dawson, Robert; Cooper, Andrew I.; Adams, Dave J. (2012-04-01). "Nanoporous organic polymer networks". Progress in Polymer Science. Topical Issue on Polymer Physics. 37 (4): 530–563. doi:10.1016/j.progpolymsci.2011.09.002. ISSN 0079-6700.
  9. ^ Inglezakis, Vassilis J. (2005-01-01). "The concept of "capacity" in zeolite ion-exchange systems". Journal of Colloid and Interface Science. 281 (1): 68–79. doi:10.1016/j.jcis.2004.08.082. ISSN 0021-9797. PMID 15567382.
  10. ^ Savage, Nora; Diallo, Mamadou S. (2005-10-01). "Nanomaterials and Water Purification: Opportunities and Challenges". Journal of Nanoparticle Research. 7 (4): 331–342. doi:10.1007/s11051-005-7523-5. ISSN 1572-896X. S2CID 136561598.
  11. ^ Azevedo, C.; Tavernier, B.; Vignes, Jean Louis; Cenedese, Pierre; Dubot, Pierre (2008). "Design of Nanoporous Alumina Structure and Surface Properties for Dental Composite". Key Engineering Materials. 361–363: 809–812. doi:10.4028/www.scientific.net/KEM.361-363.809. ISSN 1662-9795. S2CID 137339587.
  12. ^ a b Gultepe, Evin; Nagesha, Dattatri; Sridhar, Srinivas; Amiji, Mansoor (March 2010). "Nanoporous inorganic membranes or coatings for sustained drug delivery in implantable devices". Advanced Drug Delivery Reviews. 62 (3): 305–315. doi:10.1016/j.addr.2009.11.003. ISSN 0169-409X. PMID 19922749.
  13. ^ a b c Morris, Russell E.; Wheatley, Paul S. (2008). "Gas storage in nanoporous materials". Angewandte Chemie International Edition in English. 47 (27): 4966–4981. doi:10.1002/anie.200703934. ISSN 1521-3773. PMID 18459091.
  14. ^ Broom, Darren P.; Thomas, K. Mark (May 2013). "Gas adsorption by nanoporous materials: Future applications and experimental challenges". MRS Bulletin. 38 (5): 412–421. doi:10.1557/mrs.2013.105. ISSN 0883-7694.
  15. ^ Ross, D. K. (2006-08-03). "Hydrogen storage: The major technological barrier to the development of hydrogen fuel cell cars". Vacuum. The World Energy Crisis: Some Vacuum-based Solutions. 80 (10): 1084–1089. doi:10.1016/j.vacuum.2006.03.030. ISSN 0042-207X.
  16. ^ Derrington, Ian M.; Butler, Tom Z.; Collins, Marcus D.; Manrao, Elizabeth; Pavlenok, Mikhail; Niederweis, Michael; Gundlach, Jens H. (2010-09-14). "Nanopore DNA sequencing with MspA". Proceedings of the National Academy of Sciences. 107 (37): 16060–16065. doi:10.1073/pnas.1001831107. ISSN 0027-8424. PMC 2941267. PMID 20798343.