[이슈]맥신(MXene)

맥신(MXene)

안녕하세요! 오늘은 상온 초전도체를 이어서 다시 떠오르고 있는 물질인 맥신(MXene)에 대해서 알아볼게요!!

맥신(MXene) 이란?

맥신(Mxene)은 2011년에 처음 발견된 2차원 평면구조를 가지는 세라믹 물질로, 전이금속에 탄소 또는 질소가 결합되어 있는 원자 두께의 층으로 구성된 신물질을 뜻하는 단어입니다. 맥신은 전이금속에 의한 금속성질(전도성)을 가지면서도 말단에 존재하는 수산화기나 산소로 인해 친수성을 띄는 특이한 물질로 주목받고 있습니다.

 

2차원 평면구조를 가지는 맥신(Mxene)

 

맥신은 MAX라고 알려진 결정성 물질을 기반으로 합니다. MAX라는 결정성 물질은 Mn+1AXn의 실험식을 갖는 육방정계의 층상 구조형 탄화물 또는 질화물을 나타냅니다. 여기서 M은 전이금속, A는 13족 또는 14족 원소, X는 탄소나 질소이며 n은 1에서 4까지의 정수를 가집니다.

 

맥신은 대부분의 세라믹 소재들과는 대조적으로 우수한 전도성과 뛰어난 에너지 저장 능력을 갖추어 전자재료, 에너지 저장, 의약품 분야에서 큰 관심을 받는 소재입니다. 이러한 특징은 전이금속, 질소 또는 탄소로 이루어진 화학 조성과 2차원 시트 형태의 구조적 특성에 기인합니다.

 

 

주기율표에서 확인할 수 있는 MAX 결정상의 원소 조합들

 

맥신이 독특한 구조를 가지고 우수한 성질을 가지기도 했지만 또 한가지 특이한 것은, 다양한 M(전이금속)과 A(13족 또는 14족 원소), X(탄소 또는 질소)의 다양한 조합을 통해 수백가지 종류의 서로 다른 맥신이 존재할 수 있다는 점입니다. 실제 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 수많은 종류의 맥신이 존재할 수 있음이 확인되었습니다.

 

맥신(Mxene)의 발견

2차원 구조를 가지는 물질들인 그래핀이나 이황화 몰리브덴과 같은 소재들은 기존의 3차원 소재들에서는 찾아보기 힘든 독특하고 우수한 특성을 지니고 있습니다. 이러한 2차원 소재의 발견은 새로운 소재 연구 분야를 열었으며, 많은 연구자들이 다양한 종류의 2차원 소재를 찾고 그 특성을 밝히기 위해 노력해왔습니다. 그러나 2차원 소재의 원료는 종종 비용이 높거나 제조 과정이 복잡하여 새로운 응용 분야에서의 활용이 어려운 경우가 있었습니다.

 

사실 맥신(Mxene)의 전구체인 MAX는 새로운 물질이 아닙니다. MAX는 과거부터 오랜기간 연구되어 왔으며 다양한 특성을 가진 3차원 구조의 탄화물, 질화물 및 탄질화물이 합성되었습니다. 

 

MAX phase에서 Mxene이 만들어지는 과정

 

 

MAX 중 티타늄-알루미늄-탄화물(Ti3AlC2)에 대해 연구하던 드렉셀 대학의 연구진들은 이 분말을 불산(HF, 불화수소산)에 넣었더니 알루미늄 원자만 선택적으로 불산에 녹아 박리되는 것을 발견하였습니다. 즉, 불산을 통한 선택적 에칭을 통해 3차원의 MAX 구조를 가지는 티타늄-알루미늄-탄화물이 그래핀과 유사한 2차원의 평면구조를 가지는 티타늄 탄화물 나노시트를 만들 수 있었습니다. 이것이 맥신의 첫 발견입니다

 

맥신(MXene)의 제조법

맥신 제조 방법

 

이전에 언급한 것처럼 맥신은 층상 구조를 가진 MAX 결정에서 알루미늄 (A)을 선택적으로 제거하여 형성될 수 있습니다. 이러한 선택적 에칭 공정을 통해 몇 개의 원자 수준 두께를 갖는 맥신을 분리할 수 있습니다.

 

드렉셀 대학에서 2011년에 처음 맥신을 발견한 이후, 연구진은 초기에 사용되었던 불산을 이용한 공정 기술을 개선하였습니다. 구체적으로는 염산과 불산을 활용하여 MAX 결정의 알루미늄 층을 선택적으로 제거하고, 티타늄 탄화물만을 분리하여 맥신을 제작했습니다. 이 방법을 통해 만들어진 독립형 티타늄 탄화물 맥신은 총 5개의 원자 두께로 구성되며, 이 중 3개의 티타늄 층에 탄소가 결합되어 있습니다.

 

존재 가능한 맥신(Mxene)의 종류 (파란색)

 

전이금속과 13, 14족 원소, 탄소 또는 질소의 조합을 통해 백만가지 이상의 맥신시 존재할 수 있다고 알려졌지만 실제로 화학적으로 안정한 상태로 존재하는 맥신의 종류는 그렇게 많지 않습니다. 현재 연구자들은 수백만개의 맥신 후보 물질 중 조합 중 형성에너지가 낮은 원소들의 조합을 찾아 안정성이 높은 맥신의 구성원소를 찾는 일을 하고 있습니다.

 

맥신(MXene)의 특성!

1. 전기 전도성: 맥신은 금속 카바이드나 금속 나이트라이드의 다층 구조로, 이는 전기 전도성을 높이는 역할을 합니다. 이로 인해 전자가 자유롭게 이동할 수 있어 전기적 속성이 우수하며, 전기 전도성이 뛰어납니다. 이러한 특성은 전자 소자 및 전기화학적 장치에 적용할 수 있습니다.
2. 기계적 강도와 유연성: 맥신은 높은 기계적 강도와 유연성을 동시에 가집니다. 이로 인해 맥신은 강하면서도 굽히거나 구부러질 수 있는 특성을 지니며, 구조 소재나 기능성 소재로서 활용될 수 있습니다.
3. 열 전도성: 맥신은 높은 열 전도성을 가지고 있어 열 관련 응용 분야에서 유용하게 사용될 수 있습니다. 열 전도성이 뛰어난 특성은 열 관련 장치나 응용에서 효율적인 열 전달을 지원합니다.
4. 화학적 안정성: 맥신은 일반적으로 화학적으로 안정한 소재로서 다양한 환경에서 안정성을 유지할 수 있습니다. 이는 긴 수명 및 환경 내에서의 안정성을 요구하는 응용 분야에 적합함을 의미합니다.
5. 표면 활성성: 맥신 표면은 활성화된 표면을 가지고 있습니다. 이는 분자 흡착이나 촉매 활동과 같은 응용 분야에서 활용될 수 있습니다. 활성 표면은 화학 반응이나 분자 흡착과 같은 과정에 높은 확장성을 제공합니다.
6. 가용성 및 가공성: 맥신은 상대적으로 가용한 초기 소재로부터 제조할 수 있으며, 다양한 형태로 가공 가능합니다. 이러한 특성은 다양한 응용 분야에 맞춰 소재를 제조하고 형태를 조절하는 데 활용될 수 있습니다.
7. 생체 호환성: 일부 맥신 소재는 생체 호환성이 있을 수 있습니다. 이는 의료 분야에서 생체 재료로서 활용될 수 있는 잠재력을 시사합니다.

 

맥신(MXene)의 응용 분야 및 응용 가능성

1. 에너지 저장 및 변환: 맥신은 전기 전도성과 활성 표면을 통해 배터리, 슈퍼커패시터, 연료 전지 등 에너지 저장 및 변환 장치에서 사용될 수 있습니다. 높은 전기 전도성과 대용량 저장 능력을 가지는 맥신은 에너지 효율성을 향상시키는 데 기여할 수 있습니다.
2. 전자 소자 및 미세 전자 기기: 맥신의 전기 전도성과 기계적 특성은 전자 소자 및 미세 전자 기기에서 사용될 수 있습니다. 특히 유연한 특성을 가지는 맥신은 유연한 전자 기기나 신축성 있는 전자 소자에 활용될 수 있습니다.
3. 센싱 기술: 맥신은 활성 표면과 높은 전기 전도성을 통해 센싱 기술에서 활용될 수 있습니다. 화학 물질 감지, 가스 감지, 바이오센서 등 다양한 센싱 응용 분야에서 활용 가능합니다.
4. 촉매: 맥신의 활성 표면은 촉매로서 다양한 화학 반응에 활용될 수 있습니다. 촉매 활동을 통해 화학 반응의 속도를 증가시키거나 특정 화합물의 선택적 합성을 가능하게 할 수 있습니다.
5. 방사선 차폐: 맥신은 핵발전소나 의료 분야에서 방사선 차폐 소재로 사용될 수 있습니다. 방사선으로부터 보호되는 소재로서의 잠재력을 가지고 있습니다.
6. 생체 응용: 일부 맥신 소재는 생체 호환성이 있을 수 있습니다. 이는 의료 분야에서 생체 재료로서 사용될 수 있는 가능성을 시사합니다. 인공 관절, 심장 패치, 생체 센서 등의 분야에서 응용될 수 있습니다.
7. 투명 전도성 필름: 맥신은 투명한 소재에도 전기 전도성을 부여하는 데 사용될 수 있습니다. 이는 태양전지, 터치스크린, 스마트 윈도우 등의 분야에서 응용 가능성을 열어줍니다.
8. 캐패시터 및 슈퍼캐패시터: 맥신의 뛰어난 이온 투과성과 전기 전도성은 캐패시터 및 슈퍼캐패시터를 개발하는 데 활용될 수 있습니다. 이는 고용량 및 고성능 에너지 저장 장치에 기여할 수 있습니다.
9. 방전 및 방호 소재: 맥신은 전기 방전을 효과적으로 제어하는 데 사용될 수 있습니다. 또한 방호용 재료로서 화학적 환경에서의 성능을 향상시킬 수 있습니다.

 

맥신은 현재 연구가 활발히 진행되고 있으며, 그 활용 가능성은 계속해서 확장될 것으로 예상됩니다!

 

다음에도 다른 이슈되는 소식을 가지고 올게요!