수분 흡수 재료로 이루어진 적층이 오리가미를 연상케 하는 모양으로 접힌다.
수백년 된 기술에 영감을 받은 연구진이 종이처럼 얇은 그래핀(graphene) 적층으로 스스로 접히는 원격조종 재료를 만들었다. 이 결과는 11월 6일 ‘Science Advances’에 보고되었다. “일본의 종이접기 기술인 오리가미(origami)에서 영감을 받은 재료 설계는 현재 매우 활발한 분야”라고 뉴욕주 이타카 소재 코넬대(Cornell University) 물리학자 이타이 코헨(Itai Cohen)은 말했다. 그와 같은 재료의 한 가지를 설명하는 이 종이의 기초는 그래핀 산화물 층들로 형성되었다. 그래핀 산화물은 수소와 산소로 이루어진 화합물이 뿌려진 원자 한 개 두께의 탄소 시트이다. 이 뼈대 위에는 물 분자에 대해 투과성을 가진 개조된 그래핀 산화물로 이루어진 적층 스트립이 놓여 있다.
스폰지처럼 작용하는 이 스트립은 공기중의 수분을 흡수하고 습한 조건에서 부풀어오른다. 열이나 근적외선의 빛에 노출되면, 수분을 배출한다. 수분이 빠져나감에 따라, 스트립은 시들면서 바로 아래에 있는 재료를 당기고, 그 결과로 재료는 구부러진다. 이러한 효과의 속도는 놀랍다고 중국 상하이 동후아대(Donghua University)의 재료 연구가이며 이번 연구논문의 공동저자인 홍지 왕(Hongzhi Wang)은 말했다. “수분이 매우 빠르게 들어왔다가 매우 빠르게 빠져나간다.”고 그는 말했다. 개조된 그래핀 산화물로 이루어진 스트립 하나가 있는 리본 재료가 약 5초만에 접혔다가 펼쳐질 수 있다는 것이 실험에서 증명되었다. 왕과 동료들은 자신들의 적층 재료를 이용하여 펄스 광에 의해 에너지를 공급받는 보행 로봇을 제작했다. 상자로 접히는 디자인과 자신보다 5배나 더 무거운 물품을 쥐고 들어올릴 수 있는 손이 그것이다. 보행 로봇의 한 쪽을 적외선 빛으로 비추는 방식을 이용하여, 그들은 비춰진 쪽만 수축시켜 장치를 회전시킬 수 있었다.
“이 논문은 원자들로 이루어진 단일 시트를 접는다는 목표를 달성하는데 있어서 중요한 이정표가 된다”고 코헨은 말했다. 만약 그러한 목표를 달성한다면, 공학자들은 2D 재료의 제조에 관한 기존의 토대와 노하우를 이용하여, 갑자기 특이한 3D 디자인으로 바뀌는 다양한 2D 패턴들을 만들 수 있을 것이다. 연구진은 이 기술의 확장과 축소를 모두 모색할 것이라고 왕은 말했다. 이 기술이 확장되면 우주에 있는 접히는 태양전지의 지지층으로 이용될 가능성이 있다. 그러나 빛과 열을 역학 에너지로 변환하는 이 재료의 효율이 1.8%라는 점은 여전히 제약 요소가 되고 있다고 왕은 말했다. “만일 우리가 어떤 실용적인 응용을 하고 싶다면, 이런 효율을 개선해야 한다”고 그는 말했다.
* 관련논문 : Mu, J. et al. Sci. Adv. http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.1500533 (2015).
Light and heat propel bendy graphene crawlers
Motivated by a centuries-old art, researchers have created self-folding remote-controlled materials from paper-thin stacks of graphene. The results are reported on 6 November in Science Advances1.
Designing materials that draw inspiration from origami — the Japanese art of paper folding — is a field that “is on fire at the moment”, says Itai Cohen, a physicist at Cornell University in Ithaca, New York.
The paper describes one such material. Its base is formed of layers of graphene oxide, a one-atom-thick sheet of carbon peppered with compounds made up of hydrogen and oxygen. Atop this backbone sit layered strips of modified graphene oxide that are porous to water molecules.
Just add light
The strips act like sponges, absorbing water from the air and swelling in humid conditions. When exposed to heat or near-infrared light, they release the water. As that water leaves, the strips wither and tug on the material underneath them, causing it to bend.
The speed of this effect was surprising, says Hongzhi Wang, a materials researcher at Donghua University in Shanghai, China, and a co-author of the paper. “Water comes in very fast and goes out very fast,” he says. One experiment demonstrated that a ribbon of the material with a single strip of modified graphene oxide could fold and unfold in about 5 seconds.
Wang and his colleagues used their layered material to create a walking robot powered by pulsed light (see 'Graphene goes for a walk'); a design that folds up into a box; and a hand that can grab and lift items that are five times heavier than itself (see 'Light, camera, action!'). By hitting one side of the walking robot with infrared light, they could contract just that side and cause the device to turn.
“This paper is an important milestone on the path towards folding a single sheet of atoms,” Cohen says. If engineers achieve that goal, they will be able to use the existing infrastructure and expertise in fabricating 2D materials to create a variety of 2D patterns that pop up on their own into 3D designs.
Wang says that he and his colleagues will be looking to both scale up their technology — potentially for use as substrates for folded solar cells in space — and shrink it further. But the 1.8% efficiency rate at which the material converts light and heat into mechanical energy is still a limiting factor, Wang says. “If we want to do some practical applications, we have to improve this kind of efficiency,” he says.
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