연구원들은 균일 한 다공성 구조를 가진 첫 번째 탄소 섬유를 만든다

.해병대 '눈밭을 가르며'

(서울=연합뉴스) 강원도 평창 산악훈련장에서 진행된 동계 설한지 훈련에 참가한 해병대 장병들이 맨몸 체력단련을 하고 있다. 2019.2.1 [해병대 제공] photo@yna.co.kr

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나훈아의 '첫눈'

.'조용한'빛

2019 년 2 월 1 일 - 제임스 배덤, 캘리포니아 대학 - 산타 바바라 '조용한'빛 새로운 Brillouin 레이저의 레이저 링 캐비티 내부의 광학 역학에 대한 아티스트의 해석. 크레딧 : Brian Long

스펙트럼이 순수한 레이저는 정밀한 단색 빛을 거의 생산할 수있는 능력으로 인해 정밀 과학 및 상업용 응용 분야의 핵심에 놓여 있습니다. 이를 수행 할 수있는 레이저의 용량은 주파수가 변경되기 전에 일정 기간 동안 일정한 주파수를 방출하는 선폭 또는 일관성의 관점에서 측정됩니다. 실제로 연구자들은 원자 시계와 같은 첨단 시스템을위한 고주파, 단일 주파수에 가까운 레이저를 만들기 위해 많은 노력을 기울이고 있습니다. 그러나 오늘날이 레이저는 크기가 크고 장비가 가득 찬 랙을 사용하기 때문에 실험실의 벤치 탑을 기반으로하는 응용 프로그램으로 이전됩니다. 분광학, 항법, 양자 계산 및 광통신을 비롯한 광범위한 응용 분야에서 기술을 사용할 수 있도록하면서 비용과 크기를 획기적으로 줄여 첨단 레이저의 성능을 광 마이크로 칩에 옮기려는 시도가 있습니다 . 칩 규모에서 이러한 성능을 달성하는 것은 인터넷의 폭발적인 데이터 용량 요구로 인한 도전 과제를 해결하고 데이터 센터 및 광섬유 상호 연결의 전세계 에너지 소비량을 증가시키는 데 많은 도움이됩니다. Nature Photonics 의 2019 년 1 월 호 표지 기사 에서 UC Santa Barbara의 연구원과 Honeywell, Yale 및 Northern Arizona University의 연구원은이 추적에서 중요한 이정표를 제시합니다. 칩 스케일 레이저는 근본적인 빛으로 방출 할 수 있습니다 1Hz 미만의 선폭 - 까다로운 과학 어플리케이션을 칩 규모로 옮길만큼 조용합니다. 이 프로젝트는 국방 고등 연구 계획국 (DARPA) OwlG 이니셔티브에 의해 자금 지원을 받았다. 영향을 줄이기 위해,이 낮은 선폭의 레이저는 상업용 마이크로 칩 파운드리에서 웨이퍼 스케일로 제조 할 수있는 광 마이크로 컴퓨터 칩의 등가물 인 광 집적 회로 (PIC)에 통합되어야합니다. "지금까지 포토 닉 칩 스케일에서이 수준의 일관성과 좁은 선폭을 가진 조용한 레이저를 만드는 방법은 없었습니다."라고 공동 저자이자 팀 단장 인 Dan Blumenthal은 전기 및 전자 공학과 교수를 지 냈습니다. UC 산타 바바라에서 컴퓨터 공학. 현재 세대의 칩 스케일 레이저는 본질적으로 시끄럽고 상대적으로 큰 선폭을 갖는다. 이러한 고품질 레이저의 소형화와 관련된 기본 물리학 내에서 기능하는 새로운 혁신이 필요합니다. 특히 DARPA는 칩 스케일 레이저 광학 자이로 스코프 제작에 관심이있었습니다. 광학식 자이로 스코프는 GPS가없는 위치 정보를 유지하는 것이 중요하므로 대부분의 상업용 항공기를 포함하여 정밀한 위치 확인 및 탐색에 사용됩니다. 레이저 광학 자이로 스코프는 지금까지 제작 된 가장 정밀한 측정 장비 중 하나 인 중력파 탐지기의 길이 감도와 동등합니다. 그러나이 감도를 달성하는 현재 시스템은 광섬유의 부피가 큰 코일을 포함합니다. OwlG 프로젝트의 목표는 회전 감 지 요소로 광섬유를 대체하고 광학 자이로 스코프의 다른 구성 요소와의 추가 통합을 가능하게하는 초 저소음 (좁은 선폭) 레이저를 칩에 구현하는 것이 었습니다. 블루 멘탈 (Blumenthal)에 따르면 그러한 레이저를 만드는 방법에는 두 가지가 있습니다. 하나는 원자 시계로 오늘날처럼 환경 적으로 고립되고 진공 상태에 있어야하는 광학 참조에 레이저를 묶는 것입니다. 기준 캐비티와 전자 피드백 루프는 함께 레이저를 조용하게하는 앵커 역할을합니다. 그러나, 이러한 시스템은 크고, 비용이 많이 들고, 전력을 소비하며 환경 교란에 민감합니다. 다른 접근 방법은 수십억 개의 광자를 장시간 유지하고 매우 높은 내부 광 파워 레벨을 지원하는 능력을 포함하여 좁은 선폭 레이저에 대한 기본 물리적 요구 사항을 충족시키는 공동을 갖는 외부 공동 레이저를 만드는 것입니다. 전통적으로 그러한 공동은 커다란 광자를 보유하고 있으며, 고성능을 달성하기 위해 사용되었지만 참조 공동으로 안정화 된 레이저에 가까운 선폭으로 온칩을 통합하는 것은 어렵다. 이러한 한계를 극복하기 위해 연구팀은 자극 된 브릴 루앙 (Brillouin) 산란으로 알려진 물리적 현상을 이용하여 레이저를 만들었습니다. "우리의 접근법은 빛이 물질 내에서 실제로 음향 또는 음향을 만들어내는 빛 - 물질 상호 작용 과정을 사용합니다."라고 Blumenthal은 말합니다. "브릴 루앙 레이저는 매우 조용한 빛을 생성하는 것으로 잘 알려져 있으며, 소음이 많은 '펌프'레이저의 광자를 사용하여 음향 파를 생성하고 쿠션으로 작용하여 새로운 저출력 빛을 생성합니다. 브릴 루앙 공정은 매우 효과적이며 입력 펌프 레이저의 선폭을 최대 백만 배 감소시킵니다. " 단점은 부피가 큰 광섬유 셋업 또는 전통적으로 브릴 루앙 레이저를 만드는 데 사용되는 소형 광 공진기는 환경 조건에 민감하고 칩 주조 방법을 사용하여 제작하기가 어렵다는 점입니다. "광섬유 집적 칩에서 서브 Hz 브릴 루앙 레이저를 만드는 열쇠는 UC 산타 바바라 광섬유 집적 회로에서 광섬유와 동등한 매우 낮은 손실 도파로로 개발 된 기술을 사용하는 것이 었습니다."라고 Blumenthal은 설명했다. " 칩에 브릴 루앙 레이저 링 캐비티 로 형성된이 저손실 도파관 은 성공에 필요한 모든 요소를 갖추고 있습니다. 칩에 극히 많은 광자를 저장할 수 있으며 광학 캐비티 내부의 매우 높은 수준의 광 출력을 처리 할 수 있습니다 철도가 모노레일 열차를 안내 할 때와 마찬가지로 도파관을 따라 광자를 안내합니다. " 저손실 광 도파관과 빠르게 감쇠하는 음향 파를 조합하면 음향 파를 유도 할 필요가 없습니다. 이 혁신은이 접근 방법의 성공에 중요합니다. 이 연구가 완료된 이후로, Blumenthal 그룹과 그의 공동 작업자 모두에서 여러 가지 새로운 기금 프로젝트가 진행되었습니다. 더 자세히 살펴보십시오 : 환경 적으로 안정된 레이저는 매우 순수한 빛을 방출합니다.

더 자세한 정보 : Sarat Gundavarapu 외, Sub-hertz 기본 선폭 광 통합 Brillouin 레이저, Nature Photonics (2018). DOI : 10.1038 / s41566-018-0313-2 저널 참조 : Nature Photonics 에 의해 제공 : 캘리포니아 대학 - 산타 바바라

https://phys.org/news/2019-02-quiet.html#nRlv

.절연체와 도체 사이의 자기 그라 펜 스위치

2019 년 2 월 1 일, 사라 콜린스, 케임브리지 대학 , 학점 : University of Cambridge

연구진은 차세대 전자 장치 및 메모리 저장 장치 개발에 사용될 수있는 현상 인 특정 초박 자성 물질이 고압 상태에서 절연체에서 도체로 전환 할 수 있음을 발견했습니다. 케임브리지 대학교 (University of Cambridge)가 이끄는 국제 연구팀은 Physical Review Letters 지에 발표 된 그들의 연구 결과 가 때로는 자기 그라 핀 (magnetic graphene)이라고 불리는 물질의 전기적 및 구조적 특성 사이의 역동적 인 관계를 이해하는데 도움 을 줄 것이라고 말한다 . 2 차원 재료를 생산하는 새로운 방법을 대표 할 수 있습니다. 자성 그라 핀 또는 철 트리 티오 하이포 포스페이트 (FePS 3 )는 van der Waals 물질로 알려진 물질 군에서 유래되었으며 1960 년대에 처음 합성되었습니다. 그러나 지난 10 년 동안 연구원들은 새로운 눈으로 FePS 3 를보기 시작했습니다 . 탄소의 2 차원 형태 인 그래 핀과 비슷하게 FePS 3 는 초 박층으로 박리 될 수 있습니다. 그러나 그래 핀과는 달리 FePS 3 은 자성이다. 전자의 본질적인 자력에 대한 표현은 스핀 (spin)이라고 알려져있다. 스핀은 전자를 작은 막대 자석처럼 약간 움직이게하고 특정 방식으로 가리 킵니다. 전자 스핀 배열로부터의 자성은 대부분의 메모리 장치에서 사용되며, 컴퓨터가 정보를 처리하는 방식을 변형시킬 수있는 스핀 트로닉스 (spintronics)와 같은 신기술 개발에 중요합니다. 그래 핀의 탁월한 강도와 전도성에도 불구하고 자기 성이 아니므로 자성 저장 및 스핀 트로닉스 분야에서의 적용이 제한되어 연구자들은 그래 펜 기반 장치와 통합 될 수있는 자성 물질 을 찾고 있습니다. 그들의 연구를 위해 케임브리지 연구진은 고압 (약 10 기가 파스칼)에서 FePS 3 층을 함께 뭉개 버렸고 , 그들은 모트 (Mott) 전이 (transition)로 알려진 현상 자인 절연체와 도체 사이를 전환한다는 것을 발견했다. 전도율은 또한 압력을 변화시킴으로써 조정될 수있다. 이 물질은 결정 구조의 평면 사이에 약한 기계적 힘이 특징입니다. 압력이 가해지면 비행기가 함께 누를 때 서서히 제어가 가능하여 시스템이 3 차원에서 2 차원으로, 그리고 절연체에서 금속으로 푸시됩니다. 연구자들은 또한 2 차원에서도 물질이 자력을 유지한다는 것을 발견했습니다. 케임브리지의 지구과학 및 물리학과의 세바스찬 헤인즈 (Sebastian Haines) 박사는 "2 차원의 자기 특성은 변동의 불안정한 영향으로 인해 물리 법칙에 거의 부합하지 않는다. 그러나이 물질에서는 사실 인 것처럼 보인다. 논문의 첫 번째 저자. 이 물질은 저렴하고 독성이 없으며 합성하기 쉽고, 추가 연구를 통해 그라 핀 기반 장치에 통합 될 수 있습니다. "우리는 그들의 특성에 대한 견고한 이론적 이해를 구축하기 위해이 재료 를 계속 연구하고 있다 "고 Haines는 말했다. "이 이해는 결국 장치 공학을 뒷받침 할 것이지만 이론을 좋은 출발점으로 만들기 위해서는 좋은 실험 단서가 필요하다. 우리의 연구 는 조정 가능하고 결합 된 전기, 자기 및 전자로 2 차원 재료 를 생산하는 흥미 진진한 방향을 제시 한다 속성. " 추가 탐색 : 압력 조정 자력은 새로운 전자 장치의 길을 열어줍니다.

추가 정보 : CRS Haines et al. 반 데르 발스 화합물 FePS3의 압력 유도 전자 및 구조 상 진화, Physical Review Letters (2018). DOI : 10.1103 / PhysRevLett.121.266801 저널 참조 : Physical Review Letters 제공 : University of Cambridge

https://phys.org/news/2019-02-magnetic-graphene-insulator-conductor.html#nRlv

.연구원들은 균일 한 다공성 구조를 가진 첫 번째 탄소 섬유를 만든다

2019 년 2 월 1 일, 버지니아 공대, (A, B)와 새로운 (C) 방법. (A) 순수한 PAN을 사용하여 280 ℃에서 산화 시키면 N2에서 800 ℃까지 열분해하여 탄소 (회색)를 생성한다. 여러분의 고분자 섬유 (자주색)는 그림에서 보았습니다. (B) PAN은 희석 PMMA (적색)와 혼합 고분자 혼합물을 생성한다. 산화 후, 중합체 배회가 거대 - 분리되고 비등 영역이 형성된다. 열분해 후, PMMA는 제거 할 수 없습니다. (C) PAN-b-PMMA 블록 공중 합체 미생물 - 산화 및 자체 조립 PMMA 나노 도메인 (적색)과 분리. 열분해 후, 다공성 탄소 섬유는 잘 변형되고 균질 한 기공을 포함한다. 크레디트 : Virginia Tech

버지니아 공대의 과학 대학 (College of Science) 교수는 외부 껍질에 저장된 에너지를 사용하여 비행기와 자동차에 전원을 공급하기를 원합니다. 그는 블록 공중 합체로 알려진 다공성 탄소 섬유를 사용하여 그 비전을 향한 길을 발견했을 것입니다. 이미 고성능 엔지니어링 소재로 알려진 탄소 섬유는 항공 우주 및 자동차 산업에서 널리 사용됩니다. 하나의 응용 프로그램은 Mercedes-Benz, BMW 또는 Lamborghini와 같은 명품 자동차의 껍질입니다. 탄소 섬유, 얇은 머리카락 모양의 탄소 스트랜드 는 여러 주요 재료 특성을 가지고 있습니다. 이들은 기계적으로 강하고 화학적으로 저항력이 있으며 전기 전도성이 있으며 난연성이 있으며 아마도 가장 중요한 것은 경량입니다. 탄소 섬유 의 무게는 연료 및 에너지 효율을 향상시켜 보다 빠른 제트 및 차량을 생산합니다. 구조 및 기능을위한 재료 설계 Guoliang "Greg"Liu, 화학과 조교수는 구조적으로 유용 할뿐만 아니라 탄소 섬유를 만드는 아이디어를 고안했다. 그들은 또한 기능적으로 유용 할 것입니다. " 에너지 저장 과 같은 기능을 갖도록 설계 할 수 있다면 어떨까요?" Liu는 또한 Macromolecules Innovation Institute의 회원이기도합니다. "에너지를 저장하려면 이온을 넣을 사이트가 있어야합니다." Liu는 이상적으로는 탄소 섬유가 스폰지와 유사하게 전체적으로 균일하게 흩어진 미세 구멍을 갖도록 설계되어 에너지 이온을 저장할 수 있다고 말했다. Liu는 탄소 섬유를 화학적으로 제조하는 오랜 전통적 방법을 조정 한 후, 이제는 균일 한 크기와 간격으로 처음으로 다공성 탄소 섬유를 합성하는 공정을 개발했습니다. 그는 고 영향 저널 Science Advances 의 최근에 발표 된 기사에서이 작업에 대해 자세히 설명합니다 . "다공성 탄소 섬유를 만드는 것은 쉽지 않다"고 Liu는 말했다. "사람들은 수십 년 동안 이것을 시도했지만, 탄소 섬유의 기공의 품질과 균일 성은 만족스럽지 못했습니다. "우리는 실험실에서 이들 고분자를 고안하고 합성하고 가공 한 다음 다공성 탄소 섬유로 만들었습니다."

PAN (왼쪽) PAN (중간) PAN / PMMA (오른쪽) PAN-b-PMMA로 만든 탄소 섬유의 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지. Liu의 실험실은보다 균일하고 크기가 일정한 기공으로 탄소 섬유를 만들기 위해 PAN-b-PMMA를 사용했습니다. 크레디트 : Virginia Tech

블록 공중 합체를 사용하여 다공성 탄소 섬유 생성 Liu 는 폴리 아크릴로 니트릴 (PAN)과 폴리 (아크릴로 니트릴 - 블록 - 메틸 메타 크릴 레이트) (PMMA)라고 불리는 분자의 긴 사슬을 반복하여 사용하는 다단계 화학 공정을 사용했습니다. PAN은 고분자 화학 분야에서 탄소 섬유의 전구체 화합물로 잘 알려져 있으며, PMMA는 나중에 기공을 만들기 위해 제거되는 장소 지주재 역할을합니다. 그러나 과거에는 다른 화학자들이 일반적으로 PAN과 PMMA를 별도로 혼합하여 용액으로 만들었습니다. 이로 인해 다공성 탄소 섬유가 생성되었지만 크기와 간격이 다른 공극이 형성되었습니다. 작고 균일 한 모공에서 발생하는 더 큰 표면적으로 에너지 저장을 극대화 할 수 있습니다. 리우 (Liu)는 PAN과 PMMA를 결합시키는 새로운 아이디어를 제안하여 블록 공중 합체 (block copolymer)로 불리는 것을 창안했습니다. 복합 고분자의 절반은 PAN이고, 나머지 절반은 PMMA이며, 중간에 공유 결합되어 있습니다. "이것은 탄소 섬유를 만들기 위해 블록 공중 합체를 사용하고 에너지 저장에 블록 공중 합체 기반의 다공성 탄소 섬유를 사용하는 것은 이번이 처음"이라고 Liu는 말했다. "종종 프로세스의 관점에서만 생각할 뿐이지 만 여기서 우리는 재료 디자인의 관점 에서 생각하고 있습니다." 실험실에서 블록 공중 합체를 합성 한 후, 점성 용액은 다공성 탄소 섬유를 얻기 위해 3 가지 화학 공정을 거쳤다. 첫 번째 단계는 전기 방사를 사용하여 전기력을 사용하여 섬유 가닥을 만들고이 용액을 종이와 같은 소재로 경화시키는 것입니다. 다음으로, Liu는 산화 가열 공정을 통해 중합체를 넣었다. 이 단계에서 PAN과 PMMA는 자연적으로 분리되어 PAN의 가닥과 PMMA의 균일하게 분산 된 도메인으로 분리됩니다. 열분해로 알려진 마지막 단계에서 Liu는 폴리머를 더 높은 온도로 가열합니다. 이 공정은 PAN을 탄소로 고화시키고 PMMA를 제거하여 섬유 전체에 상호 연결된 중간 기공 및 미세 기공을 남겼습니다. 에너지 저장의 새로운 가능성 이러한 획기적인 기술로 이미 우수한 엔지니어링 소재가 개선되었지만 블록 디 코 폴리머 를 사용하여 에너지 저장 가능성을위한 균일 한 다공성 구조를 만드는 것이 더 큰 돌파구가 될 것입니다. "이것은 에너지 저장을위한 재료 설계에 대한 우리의 생각을 열어 준다"고 Liu는 말했다. "이제 우리는 기능에 대해 생각하기 시작할 수 있습니다. 우리는 구조용 재료뿐만 아니라 기능성 소재로 (탄소 섬유) 사용합니다." Liu는 2014 년 버지니아 공대에 입사 한 이래로이 아이디어를 노리고 있었지만 2016 년 공군 영리 탐정 프로그램 (YIP)을 통해 수상 제안서를 제출 한 후이 아이디어에 대한 공식 연구를 시작했습니다.

더 자세히 살펴보기 : 고강도 탄소 섬유 가공을위한 전구체를 생산하는 새로운 방법 자세한 정보 : "블록 공중 합체 기반의 다공성 탄소 섬유" Science Advances (2019). advances.sciencemag.org/content/5/2/eauau6852 저널 참조 : 과학 진보 곁에 제공하는 : Virginia Tech

https://phys.org/news/2019-02-carbon-fibers-uniform-porous.html

.양성자 전달을 통한 전류 생성

2019 년 2 월 1 일, 재료 과학 연구소 양성자 전달을 통한 전류 생성 (A) 장벽을 통과하는 양자 양자 터널링 (양자). (B) 전이 상태 (고전적)를 통한 양성자 전달; 전기 화학 시스템에서 두 메커니즘의 상대적 기여도는 적용 가능성에 의해 조정될 수 있습니다. 신용 : NIMS

NIMS와 Hokkaido University는 전기 화학 반응에서 양성자 이동이 특정 조건 하에서 양자 터널링 효과 (QTE)에 의해 좌우된다는 것을 공동으로 발견했다. 또한, 그들은 잠재력을 제어함으로써 양자 및 고전 정권 간의 전기 화학적 양성자 이동에 대한 최초의 관찰을 만들었다. 이 결과는 QTE가 전기 화학적 양성자 전달에 관여 함을 나타내며, 양자 역학에 기반한 고효율의 전기 화학적 에너지 변환 시스템을 개발하기위한 기초 연구를 가속화 할 수 있습니다. 최첨단 전자 장치의 많은현대 생활에 존재하는 기술은 양자 역학의 기본 원리에 기초하여 수립되었습니다. 그러나 연료 전지 및 에너지 장치의 전기 화학 반응에서의 양자 효과는 전극 표면의 전기 화학적 반응 과정에 의해 유도되는 전자 및 양성자의 복잡한 이동으로 인해 잘 이해되지 못한다. 결과적으로, 전기 화학 에너지 변환에서의 양자 효과의 적용은 표면 및 계면 현상이 이들 모든 분야에서 똑같이 중요하게 작용하는 전자 및 스핀 트로닉스 분야만큼 성공적이지 못하다. 전기 화학 반응이 양자 효과와 밀접하게 관련된다고 가정하면 이러한 효과에 기초하여 매우 효율적인 에너지 변환 메커니즘을 설계하는 것이 가능할 수 있습니다 : QTE 및 이러한 메커니즘을 이용하는 장치. 이 연구에서 NIMS 주도 연구팀은 질량이 다른 수소의 동위 원소 인 중수소를 사용하여 연료 전지에서 핵심 반응 인 산소 환원 반응 (ORR) 메커니즘에 중점을 두었습니다. 결과적으로 팀은 작은 과전압 범위 내에서 활성화 장벽을 통과하는 양성자 터널링을 확인했습니다. 또한, 과전압이 증가하면 전기 화학 반응 경로가 준 고전 이론에 기초한 양성자 이동 으로 바뀌는 것으로 나타났습니다 . 따라서이 연구팀 은 전기 화학 반응에서 양자와 고전 정권 사이의 전환 이라는 새로운 물리적 과정을 발견했다 . 이 연구는 기본적인 에너지 전환 과정에서 양성자 이동에 QTE가 관여 함을 보여줍니다. 이 발견은 세부적으로 이해되지 않은 전기 화학적 반응 의 미세 메커니즘에 대한 연구를 용이하게 할 수 있다. 또한 고전 역학을 뛰어 넘어 작동 할 수있는 양자 역학에 기초한 작동 원리로 고효율의 전기 화학적 에너지 전환 기술의 개발을 촉진 할 수 있습니다. 이 연구는 2018 년 12 월 7 일 Physical Physical Society 지에 실린 Physical Review Letters 에 실 렸습니다 .

추가 정보 : 에너지 저장 장치 응용 분야의 전극 촉매 활성 지침 자세한 정보 : Ken Sakaushi 외, 잠재적 인 산소 환원에서 양성자 전달의 양자 - 대 - 고전 전환, Physical Review Letters (2018) DOI : 10.1103 / PhysRevLett.121.236001 저널 참조 : Physical Review Letters 제공 : 국립 재료 과학 연구소

https://phys.org/news/2019-02-current-quantum-proton.html#nRlv