“Super-hydrophobic multi-walled carbon nanotube coatings for stainless steel”
이탈리아 연구진은 스테인리스 강 표면 위에 매우 높은 접착력을 가진 초소수성 탄소 나노튜브 박막을 생성시키는데 성공했다.
그림. 스테인리스강 위의 계층형 초소수성 탄소 나노튜브 박막.
생체 모방 초소수성 코팅은 스테인리스 강 표면을 장기간 보호하는데 사용될 수 있다. 그들은 부식 방지, 오염 방지, 저-마찰, 저항 감소의 역할을 할 수 있다.
저널 Nanotechnology에 게재된 최근 연구에서, 이번 연구진은 스테인리스 강 위에 탄소 나노튜브로 만들어진 고정식 초-소수성 박막을 제조했다. 로마 토르베르가타 대학(University of Rome Tor Vergata)의 연구진은 이것을 달성하기 위해서 화학 기상 증착 기술을 사용했다. 박막의 습윤 상태는 접착성이 높은 미세 구조 때문에 뛰어난 내구성을 가진다. 이것은 생이가래(Salvinia) 잎의 계층식 미세 구조와 닮았다.
생물학적으로 영감을 얻는 재료들은 식물과 동물을 모델로 한다. 4억 8천만 년 동안, 최고로 효율적인 표면들은 식물과 동물이 서로 다른 환경에 적응하는 동안에 발생했다.
많은 천연 표면들의 초소수성은 2배로 중첩된 표면 형상 때문에 발생한다. 생이가래는 잎 표면이 2배의 계층형을 가진 수생 식물이다. 또한 이것은 더 높은 크기의 초소수성 세포가 더 낮은 크기의 친수성 세포로 대체된다. 이런 독특한 미세 구조는 매우 높은 접착성을 가진 초소수성 표면을 이끈다. 즉, 물방울이 안정적으로 고정되고, 그들 아래에 얇은 공기쿠션이 존재한다.
이런 방식으로, 생이가래는 항상 건식 상태를 유지한다. 이런 현상은 생이가래 효과라고 부른다.
이번 연구진은 외부 촉매 또는 시간이 많이 소모되는 전처리 없이 저온에서 화학 기상 증착으로 다중벽 탄소 나노튜브의 무작위 네트워크를 직접적으로 성장시키기 위해서 AISI 316 스테인리스 강의 철분과 표면 거칠기를 이용했다.
화학 기상 증착은 그들의 성장을 위한 시드(seed)로서 활용되는 금속 나노입자 촉매로부터 탄소 나노튜브를 대량으로 제조하는데 사용되는 주요 기술이다. 이번 연구진은 촉매 없이 스테인리스 강 위에 탄소 나노튜브 박막을 직접적으로 성장하는 방법을 개발했다. 이 기술은 강철의 금속 조성을 활용한다. 이번 연구진은 이런 박막이 2 배의 계층형을 가진다는 것을 주사 전자 현미경으로 관찰했다.
이 박막은 친수성 탄소 나노입자와 소수성 탄소 나노튜브를 가진다. 이런 구조는 생이가래 잎 구조와 닮았지만, 10배 더 높은 접착력을 가진다. 즉, 이것은 도마뱀 다리의 접착력과 유사하다.
이런 탄소 나노튜브 코팅에 대한 접촉각 측정으로 냉이가래 효과 때문에 예상치 못한 초소수성 거동을 가진다는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 스테인리스 강의 특성을 향상시키는 내구성 강한 초소수성 코팅의 구현에 매우 유망하다. 이러한 효과는 강철의 멸균, 장기간 유지되는 품질, 물 전달 속도, 간접적인 연료 소모를 향상시킬 수 있다.
이번 연구진은 탄소 나노튜브, 탄소 나노튜브 에어로젤, 그래핀과 같은 탄소 기반의 나노물질의 특성과 적용에 초점을 맞추어서 연구를 진행하고 있다. 이 연구결과는 저널 Nanotechnology에 “Super-hydrophobic multi-walled carbon nanotube coatings for stainless steel”이라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1088/0957-4484/26/14/145701).
