기계/재료

괴성 비정질상태 재료에서의 가공경화 최초 구현

/
중국과학원 금속연구소 선양재료과학국가연구센터는 영국 케임브리지대학교 재료학부 연구팀과 공동으로 최초로 괴성 비정질상태(amorphous state) 재료에서의 가공경화(work hardening)를 구현하였다. 해당 성과는 "Nature"에 게재되었다. 소성변형(plastic deformation)에 따른 금속재료의 강도(intensity) 상승 거동을 일컫는 가공경화 또는 변형경화(Strain hardening)는 재료가 균일 소성변형 상황에서 추가 변형에 저항하는 능력을 반영한다. 가공경화는 공학재료 역학적 거동 중 가장 주요한 현상이며 또한 구조재로서의 금속이 광범위하게 응용될 수 있는 중요한 근거이다. 비정질합금(일명 금속유리)은 다수 우수한 기계적 성능(높은 항복응력/인성 및 기록적인 "손상허용도")을 보유하는 외에 변형연화(strain softening)란 치명적 약점도 보유한다. 비정질합금의 변형은 기존의 결정질 재료와 달리 고도로 국지화된 변형으로서 전단대(shear zone) 주도의 비균일 변형으로 표현된다. 이는 실온취성(room temperature brittleness)을 직접적으로 초래하는데 이 또한 비정질합금의 병목문제이다. 괴성 비정질합금에서의 가공경화 거동 구현은 비정질합금 나아가 모든 무정형 재료 분야의 핵심 과학문제이다. 연구팀은 괴성 비정질합금의 가공경화가 재료 결함의 소멸·감소, 다시 말해 고에너지 상태에서 저에너지 상태로 전환되는 과정을 동반함을 발견하였다. 이는 결정질 재료에서 나타나는 기존 가공경화 과정과 완전히 상반되는 것으로 비정질합금이 완전 다른 가공경화 메커니즘을 보유함을 설명한다. 해당 연구는 비정질상태 재료의 변형연화 거동에 대한 기존의 인식을 바꿈으로써 균일 소성변형력을 보유한 비정질합금 개발 및 공업응용을 위해 새로운 길을 개척하였다.

집누에에 나노은 섭취시켜 신형 항균견사 획득

/
톈진대학교 장레이(張雷) 연구팀은 천연견사에 양호한 항균성능을 부여할 수 있는 신형 견사(silk yarn)를 개발해 생의학 분야에 중요 응용가치를 제공할 전망이다. 해당 성과는 "ACS Sustainable Chemistry & Engineering"에 게재되었다. 견사 발상지인 중국의 양잠업은 세계문명에 큰 기여를 하였다. 최근 견사는 양호한 생체적합성 및 생분해성 등 장점으로 인해 조직공학, 상처 드레싱제, 약물 서방, 수술 봉합 등 영역에서 중요한 역할을 발휘하고 있다. 현재 과학계는 견사의 역학성능, 항균성능, 항황변(anti-yellowing)성능 등을 향상시켜 그 응용가치를 더한층 높이고자 다양한 방식을 통해 천연견사로부터 "개질 견사" 획득에 진력하고 있다. 나노은(Nano Silver)은 항균성이 강하고 안전성이 높으며 약물내성이 쉽게 발생하지 않는 등 장점을 보유하기에 항균 직물·기기 등 다양한 항균재료에 광범위하게 응용되고 있다. 연구팀은 다양한 입경(particle diameter)의 나노은 입자를 집누에에 섭취시킨 후 집누에 기관별 나노은 입자의 분포 및 축적 상황을 연구하였다. 실험 결과, 집누에에 가장 쉽게 섭취 및 수송될 수 있는 은입자의 입경은 50nm로 장흡수 및 림프순환을 통해 집누에 체내에 섭취되는 량도 가장 많았으며 견사샘과 견사에서 그 함량이 가장 높게 나타났다. 특히 주목할 점은 이러한 나노은 섭취를 통한 개질 방법으로 획득한 "신형 견사"는 황색포도상구균, 대장균 등 다양한 병원균을 효과적으로 사멸할 수 있을 뿐더러 열안정성도 다소 향상되는 등 양호한 성능을 보유하였다. 해당 연구는 간단한 개질방법을 통해 천연견사에 새로운 특성 및 기능을 부여함으로써 그 응용가치를 높였다. 또한 나노재료를 통한 다기능 실크단백질재료 획득에 새로운 아이디어를 제공하였다. 향후 생명 의료 분야에서 동 항균견사의 밝은 미래가 예상된다.

고강도 금속을 획득하는 새 방법 개발

/
베이징고압과학연구센터 천빈(陳斌)은 충칭(重慶)대학교 황샤오쉬(黃曉旭) 연구팀과 공동으로 고압(High pressure) 조건에서 나노 니켈의 강도가 지속적으로 증가되는 현상을 발견함과 아울러 3nm 니켈의 고압 조건에서의 강도가 일반 상업용 니켈 강도의 10배 이상에 도달함을 발견했다. 동 연구는 고강도 금속을 획득하는 새 방법을 제공했다. 해당 성과는 "Nature"에 게재됐다. 일반적인 상황에서 결정립 크기가 작을 수록 그 강도는 더욱 높다. 하지만 계산 결과에 의하면 결정립 미세화 정도가 약 15~10nm 이하에 달할 경우 나노 금속의 강도는 증가되지 않고 오히려 감소되는 연화 현상이 나타난다. 전통적인 실험 방법으로 미세(15nm이하)한 재료의 강도를 측정할 수 없기에 15nm 보다 작은 결정립 금속의 경우 연화 또는 강화되는 지를 확정하기 어렵다. 연구팀은 최초로 광물 연구에 이용되는 지구과학적 기술을 나노 재료의 압축 변형 연구에 도입했다. 연구팀은 200~3nm(모두 8가지 결정립 크기)의 금속 니켈에 대하여 고압 조건에서 변형 비교 연구를 수행한 결과, 금속 니켈의 압축강도는 결정립 크기 감소에 따라 지속적으로 증가되며 3nm 니켈 샘플의 강도는 전통적인 니켈 강도의 10배 이상에 달함을 발견했다. 이론적 계산 및 투과전자현미경 측정 결과, 20nm 이하의 샘플에 나타나는 전위(Dislocation) 및 고압에 의한 결정립계 소성변형 대폭 억제는 미세 결정립 샘플의 강도를 증가시키는 핵심이다. 연구팀은 금 및 팔라듐에서도 상기 현상과 유사한 미세 결정립 강도 증가 현상을 관측했다. 따라서 동 연구는 나노 금속 압축을 통해 고강도 금속을 획득하는 일반적인 방법을 제공했다. 기존의 연구에 의하면 나노 결정립을 일정한 크기로 미세화시킬 경우 결정립은 연화된다. 하지만 이번 연구를 거쳐 압축을 통해 나노 결정립계의 소성변형을 효과적으로 억제시키고 따라서 연화를 억제시킬 수 있기에 고강도 나노 금속 재료를 획득할 수 있다는 결론을 얻었다. 천빈 연구팀은 나노 재료의 고압 조건에서 변형 연구에 진력해 왔으며 최초로 3nm 금속 니켈에서도 전위활주에 의한 변형 메커니즘을 실험적으로 관측함과 아울러 고압 미세영역 라우에 X선 회절법으로 최초로 나노 금속 입자 회전폭의 임계 치수를 관측했다.

신형 키랄성 무기 나노재료 개발

/
중국과학기술대학교 위수훙(俞書宏) 연구팀은 중국 국가나노과학센터 탕즈융(唐智勇) 연구팀, 캐나다 토론토대학교(University of Toronto) Edward Sargent 연구팀과 공동으로 최초로 1차원 나노구조 유닛에 위치지정을 통해 선택성 복합 자성재료를 도입하고 국부적 자기장 변조 전기 쌍극자 모멘트와 자기 쌍극자 모멘트 사이의 상호작용을 이용하여 신형 키랄성 무기 나노재료를 성공적으로 합성했다. 해당 성과는 "Nature Nanotechnology"에 게재됐다. 키랄성 재료는 생체지표, 키랄성 분석 및 검출, 거울상이성질체 선택적 분리, 편광 관련 광전자학 및 광전자학 응용 등 분야의 연구 추진에 중요한 의미가 있다. 전통적인 키랄성 나노재료는 주로 키랄성 리간드 또는 나선구조 구축 등 전기 쌍극자 모멘트 조절 방식으로 구축한다. 하지만 해당 종류 키랄성 재료는 환경 안정성 및 전기전도성 분야에서 결함이 존재하기에 실제 응용을 크게 제한한다. 따라서 새로운 조절 메커니즘 연구에 의한 신형 키랄성 나노 기능재료 구축은 해당 문제를 해결하는 새로운 경로이다. 연구팀은 재료 간 접촉각과 이질적 핵생성 성장 상호관계를 기반으로 하고 순서적인 중간 완화층 도입을 통해 재료 간 계면에너지 차이를 개변시킴으로써 전통적인 반도체 재료와 자성재료 간 격자와 화학적 비매칭 문제를 해결함과 아울러 자성재료의 다양한 반도체 특정 위치에서 선택적 성장을 교묘하게 달성했다. 연구팀은 또한 나노 구조에 국부적 자기장을 도입할 경우 전기 쌍극자 모멘트와 자기 쌍극자 모멘트의 효과적 조절을 달성할 수 있음을 발견했다. 해당 종류의 신형 자기 광학적 나노재료 구축을 통해 자기유도(Magnetic induction) 광학적 활성을 달성할 수 있다. 이는 신형 키랄성 무기 나노재료 개발에 새로운 경로를 개척했다. 연구 결과, 해당 방법은 높은 일반성을 보유하고 있기에 다양한 반도체 재료 및 자성 성분 간 결합에 광범위하게 이용되어 향후 키랄성 광학적 활성 나노재료 개발에 새로운 방법을 제공할 전망이다. 동시에 해당 신형 자기 광학적 반도체 나노재료의 성공적 개발로 상온 조건에서의 비등방성 강자성 및 스핀 제어가 가능하게 되어 스핀트로닉스(Spintronics) 및 양자컴퓨팅 기술에 새로운 재료 플랫폼을 제공할 전망이다.

"전과정 비접촉식" 체온측정 및 보안검사 시스템 가동

/
중전과(中电科, CETC) 제38연구소 보웨이타이허쯔(博微太赫兹, Brainware Terahertz)회사가 7일 만에 개발한 "전과정 비접촉식 체온측정 및 보안검사 통합기기"가 상하이시 공안국의 지원에 의해 상하이 지하철에서 본격 가동되었다. 신종코로나바이러스 감염증 여파로 중국의 출근길 "방역전"이 중요한 단계에 진입했다. 도시의 지하철, 여객운송 등과 같은 붐비는 공공장소는 "방역전"의 주요 통제 구역이다. "비접촉식 체온측정 및 보안검사통합 지능시스템"은 테라헤르츠파 인체 보안검사 장치를 핵심으로 적외선 체온측정 장비 및 테라헤르츠파 인체 보안장치를 결합하여 개발하였다. 해당 장치는 검사대상자가 보안 구역에 머물지 않고 정상적인 보행과정에서 체온측정과 보안검사를 완료함으로써 "전과정 비접촉"을 달성한다. 해당 보안검사 모드는 검사요원이 검사대상자에 의해 교차 감염될 위험을 크게 낮추고 아울러 통행 효율을 높인다. 기존의 300명/1시간의 보안검사 효율을 1,500명/1시간으로 높여 지하철 인파 밀집을 효과적으로 완화시킬 수 있다. 전자기파인 테라헤르츠파는 적외선과 마이크로파 사이에 있으며 미래의 세계를 바꿀 10대 기술 중 하나이다. 보웨이타이허쯔 회사는 인체에서 방출하는 테라헤르츠파를 포착하여 이미징하는 기술을 파악하여 기존의 테라헤츠파 보안장치에 대한 국외의 의존도를 낮추었다. 테라헤르츠파 보안 통로를 통과할 경우, 소지한 다양한 소지품은 인체가 방출하는 테라헤르츠파를 다양한 각도로 차단하여 음영을 형성하며 따라서 검사대상자의 의심품목 소지 여부를 판단한다. 전과정이 비접촉식이고 방사선이 없다. 기존의 보안검사는 금속을 위주로 하지만, 테라헤르츠파는 금속, 액체, 콜로이드 및 세라믹과 같은 다양한 유형의 금지품을 감지할 수 있다. 중국은 빠른 시일에 해당 설비를 여객운송, 병원 등 인파 밀집 구역의 보안검사와 체온측정에 보급하여 신종코로나바이러스 방역을 강화할 예정이다.

단일층 그래핀에 대한 정량적 인장시험 구현

/
홍콩시티대(CityU HK)/칭화대 연구팀은 공동으로 정밀 대면적 그래핀 전이, 샘플 형태 제어, 스트레인 로딩(Strain loading) 기술을 개발함과 아울러 이를 기반으로 주사전자현미경 실시간 관측 하에 단일층 그래핀에 대한 정량적 인장시험을 구현하였다. 해당 결과 및 실험기술은 동종 "슈퍼소재"의 실제 역학성능기준 제정에 일조함과 아울러 해당 고성능 재료의 다양한 영역에로의 응용을 촉진할 전망이다. 해당 성과는 "Nature Communications"에 게재되었다. 기존의 대량 이론적 계산에 의하면 단일층 그래핀은 매우 높은 탄성계수와 강도를 보유하는 등 광범위한 응용잠재력이 있는 "슈퍼소재"로 여겨지고 있다. 하지만 단일층 그래핀은 얇은 한 층의 원자만 보유한 구조이기에 그에 대한 정량적 역학실험을 수행하려면 해결해야 할 어려움이 적지 않다. 실험 결과, 인장 조건에서 화학기상증착으로 제조한 고품질 단일층 그래핀의 완전 가회복 탄성변형은 5%, 파괴 변형(breaking strain)은 약 6%, 탄성계수는 이론값에 근접하는 약 1,000MPa, 인장강도는 50~60MPa에 달했다. 연구팀은 실험을 통해 단일층 그래핀이 매우 양호한 탄성변형력을 보유함을 입증함으로써 격자 변형 제어를 위해 기반을 마련하였다. 기존의 연구는 일반적으로 그래핀의 이론적 성질 및 국지적 범위에서의 이상적 한계를 제시하였을 뿐 비지지(unbraced) 대면적 단일층 그래핀에 대한 인장시험은 사실상 수행한바 없다. 연구팀은 단일층 그래핀 실험의 어려움을 극복하고 최초로 실제 응용장면에 가까운 인장 조건에서 그 역학성질이 이론적 한계에 근접함을 실험을 통해 입증하였다. 현재 그래핀 산업응용과 관련해 국제기준 제정의 목소리가 높은 상황에서 해당 성과는 그래핀의 실제 역학성능기준 형성에 일조함과 아울러 관련 고성능 재료의 보다 향상된 항공기, 고속철 경량화 부품, 보다 강인(toughness)한 유연성 터치스크린 등 제조 분야로의 응용을 촉진할 전망이다.

초평탄 그래핀 박막 개발 성공

/
난징대학교 물리학부 가오리보(高力波) 연구팀은 초평탄 그래핀 박막의 제어 가능한 성장을 구현함과 아울러 동 성장방법의 내재적 메커니즘 즉 양성자 보조 성장을 발견하였다. 이는 플렉시블 전자학, 고주파 트랜지스터 등 중요 연구영역에 널리 보급될 전망이다. 해당 성과는 "양성자 보조 성장 초평탄 그래핀 박막"이란 제목으로 "Nature"에 게재되었다. 화학기상증착법(CVD)에 의한 그래핀 성장은 현재 대면적, 고품질의 단결정 결정립 또는 박막 제조에서 가장 주요한 방법이다. 하지만 그래핀과 기질재료가 강결합작용으로 인해 그래핀 성장과정에서 주름이 생길 수 있다. 그래핀과 성장 매트릭스의 열팽창률 차이에서 생기는 CVD 그래핀 주름은 그 물리성질에 영향을 끼치는 주요 걸림돌이다. 이러한 현상은 대규모 균일 박막 제조를 제한함과 아울러 2차원 재료의 더한층 개발·응용을 방해한다. 연구팀은 대량 실험에 대한 종합분석에 기반해 고비율의 뜨거운 수소(H2)가 그래핀과 성장 매트릭스 간 결합작용을 일정한 정도로 약화시킴을 발견했다. 또한 이론적 시뮬레이션을 통해 그래핀과 구리 매트릭스 간 수소가 대농도, 고온 조건에서 양자 결합을 약화시키는 역할을 함을 발견했다. 뜨거운 수소 성분에서 양성자와 전자는 그래핀의 벌집격자(honeycomb lattice) 사이를 자유로이 오갈 수 있다는데 비추어 연구팀은 그래핀을 통과한 양성자와 전자가 일정한 확률로 재차 수소로 결합할 것으로 추정했다. 양성자 밀도를 증가시키는 것은 양자 결합작용을 약화시키는 핵심 경로이다. 연구팀은 수소 플라즈마(hydrogen plasma)를 이용해 주름진 그래핀 박막을 처리했다. 또한 고온 보조 조건에서 그래핀 주름을 점차 제거했다. 다시 말해 그래핀 성장시 수소 플라즈마를 도입해 성장시킨 그래핀은 완전 주름지지 않는다. 해당 그래핀 박막의 초평탄 특성으로 인해 그래핀 표면의 기타 물질 제거 특히, 그래핀 전이시 잔류한 전이매질 PMMA 청결이 쉬운 장점을 보유한다. 이외, 초평탄 그래핀 박막의 대형, 고품질 장점을 부각시키기 위해 연구팀은 2μm, 20μm, 100μm, 500μm 선폭에서 그래핀 양자홀효과를 측정했다. 기존 그래핀 양자홀 효과 발생시 최대 선폭이 50μm인데 비해 초평탄 그래핀 박막 양자홀 효과 발생 임계치 조건은 1μm 선폭에서 측정한 고유 그래핀과 거의 일치하였다. 더 중요한 것은 다양한 선폭 측정 플랫폼에서 발생한 임계치는 거의 변함이 없었다. 이는 주름을 제거해야만 대형 그래핀의 균질화, 고품질을 최대한 구현할 수 있음을 의미한다. 양성자보조 CVD법은 그래핀의 고유성질을 최대한 유지함과 아울러 향후 기타 종류 나노재료 제조에 보편성을 지닐 전망이다.

1000 ℃ 고온 불변형 발포세라믹 개발

/
중국과학원 충칭(重庆)친환경지능기술연구소 연구팀은 보온, 보습, 방음 및 내화성을 보유할 뿐만 아니라 1,000 ℃ 고온에서도 변형되지 않는 친환경 발포세라믹을 개발했다. 새로 개발한 발포세라믹은 겉모양이 화산석과 매우 비슷해 보이고 표면이 거칠지만 무게가 아주 가벼우며 입방센티미터당 중량이 0.2 그램으로 물에 뜰 수 있다. 시험 결과 500 ℃의 알코올램프 고온에서 불이 붙지 않았고 반대쪽 온도는 40 ~ 50 ℃에 불과했다. 발포세라믹의 로스팅 온도는 800 ℃에 달하고 완제품은 1000 ℃ 고온에 견딜 수 있다. 기존에 건축 분야에서 널리 사용되고 있는 단열재료는 세라믹점토, 폐기물 슬래그 등을 원자재로 하는데 가격이 저렴하고 보온 효과가 있지만 대량의 유기재료를 함유하여 내화성이 없다. 연구팀은 5년간의 연구를 통해 발포세라믹 제조 과정에 유기-무기 발포 공법 및 공정을 추가하여 경량, 방습, 방수 및 보온 성능을 보유할 뿐만 아니라 고온 소성을 통해 내열성도 보유하게 함으로써 1,000 ℃ 고온 환경에서도 불연성 및 비변형성을 보유한 새로운 발포세라믹을 개발했다. 해당 발포세라믹은 기존 발포세라믹 고온변형 온도의 세계 기록을 갱신하였으며 발포세라믹의 안전성을 1단계 향상시켰다. 아울러, 산업화 달성을 위한 기술 공략을 통해 로스팅 온도를 초기 1,300 ℃에서 800 ℃로 낮춤으로써 고온 로스팅 과정에서의 공기 중 질소산화 과정을 제거하였을 뿐만 아니라 생산 과정에서 생성되는 질소산화물로 인한 산성비(acid rain)의 환경오염 문제를 해결하였고 소성 비용도 1/3 감소하여 해당 제품의 해외 의존도를 낮추었다. 발포세라믹의 구성성분을 조절하여 화력발전소 탈황탑에서 생성되는 대량의 희황산, 냉열 변화가 심한 온도 등 열악한 환경에 해당 세라믹을 적용할 수 있다. 또한, 초경량 밀도로 인해 장기간 수면에 부유할 수 있어 구명장비 또는 해상 양식과 재배 등 분야에 응용할 수 있다.

2차원 얼음의 존재 및 성장 메커니즘 최초 입증

/
베이징대학교, 미국 네브래스카대학교 링컨캠퍼스(University of Nebraska-Lincoln), 중국과학원 연구팀은 공동으로 고해상도 qPlus형 원자힘 현미경(atomic force microscope) 기술을 이용해 최초로 2차원 얼음의 존재를 실험적으로 입증하였다. 아울러 그 형성 과정을 원자급 해상도에서 영상화함으로써 그 특이적 성장 메커니즘을 규명하였다. 해당 성과는 "Nature"에 게재되었다. 지난 100여 년 동안 발견된 얼음의 3차원 구조는 총 18종인데 그 중 가장 흔한 종류가 바로 날리는 눈꽃, 더위를 식히는 얼음덩이, 남극의 두터운 얼음층 등 육각형 얼음상(ice phase)이다. 하지만 자연계에 안정적 2차원 얼음이 존재하는지 여부를 입증할 확실한 실험적 증거가 없다. 연구팀은 온도, 수압 정밀 조절 하에 소수성 금 기질(Au substrate) 위에서 최초로 단일결정 2차원 얼음 구조를 성장시켰다. 또한 비간섭적 원자힘 현미경 이미징 기술을 2차원 얼음의 아분자급 해상도 영상화에 응용함과 아울러 이론적 계산을 결합시켜 그 원자 구조를 확정하였다. 연구 결과, 2차원 얼음은 2개 층 육각얼음이 무회전 적층되어 형성된 것으로 2개 층 사이는 수소결합으로 연결되며 각각의 물분자는 동일 층 물분자와 3개 수소결합을 형성하는 한편 위아래층 물분자와 1개 수소결합을 형성하는 관계로 모든 수소결합은 전부 포화되었고 그 구조 또한 매우 안정적이다. 다시 말해 독립적으로 존재할 수 있는 "자기포화(self-saturating)" 2차원 얼음이다. 이는 실험적으로 입증된 첫 번째 종류의 2차원 얼음 구조이기에 "2차원 얼음 I상"이라 명명하였다. 2차원 얼음이 어떻게 형성되는지를 확인하기 위해 연구팀은 2차원 얼음을 영하 153℃에서 영하 268℃로 급냉동시킴으로써 얼음 성장 과정의 일련의 중간상태를 동결시켰다. 이로써 안정적인 이미징을 구현함과 아울러 2차원 아이슬란드 톱니형 경계의 "가교"식 성장 및 팔걸이의자형 경계의 "파종"식 성장 메커니즘을 제안하였다. 해당 발견은 100여 년래 형성된 얼음상에 대한 전통적 인식에 도전장을 내밀었다. 2차원 얼음이 존재할 경우, 3차원 얼음은 표면을 따라 성장하기에 매우 견고하지만 2차원 얼음이 존재하지 않을 경우, 형성된 3차원 얼음과 표면의 접촉면이 매우 작아 쉽게 바람에 날려갈 수 있다. 따라서 2차원 얼음 구조에 근거한 더 목적성 있는 결빙방지재료 설계 및 개발이 가능하다. 그리고 2차원 얼음을 이용해 재료 사이 마찰을 줄일 수도 있다. 이외, 2차원 얼음은 일종의 특수한 2차원 재료로서 향후 고온 초전도성, 심자외선 탐지, 저온전자현미경 이미징 등 연구에 참신한 플랫폼을 제공할 전망이다.

고온/저온에 견디는 초경량 초탄성 소재 개발

/
중국과기대 위수훙(俞書宏) 연구팀과 량하이웨이(梁海偉) 연구팀은 200만 라운드 압축 후에도 여전히 "초탄성"을 보유하여 변형되지 않을 뿐만 아니라 –100℃ ~ 500℃의 초저온/초고온에서도 견딜 수 있는 초경량형 신소재를 개발했다. 해당 성과는 "Advanced Materials"에 게재됐다. 경량성/강인성을 보유함과 아울러 고온/저온에 견딜 수 있는 "초탄성" 재료는 항공우주, 연체 로봇, 기계적 완충, 에너지 감쇠 등 분야의 이상적인 재료이다. 많은 재료는 그 중의 1가지 또는 몇 가지 특성을 보유하고 있지만 상기 모든 특성을 모두 보유한 재료는 매우 적다. 최근 탄소나노튜브와 그래핀으로 경량형 초탄성 재료 개발을 시도했지만 공법의 제한으로 밀리미터급 "소규모 물질"밖에 제조할 수 없고 크기를 증가시킬 경우 파손되는 현상이 나타난다. 그리고 자연계의 일부분 생물소재는 우수한 역학적 성능을 보유하고 있지만 순수한 유기물 또는 유기물/무기물 복합 구조이기에 일반적으로 매우 제한된 온도 범위에서 기능을 발휘한다. 예를 들면 인체 힘줄은 양호한 내피로성 재료이지만 인체 온도 범위 내에서만 정상적으로 기능을 발휘하며 나무는 가볍고 인성이 강하지만 고온에 견디지 못한다. 연구팀은 열분해 화학적 제어를 통해 구조생물재료를 흑연 탄소나노섬유 에어로겔 재료로 전환시키는 새 방법을 개발했다. 실험적 검증 결과, 해당 새 방법으로 재조한 신형 흑연 에어로겔 재료는 무게가 약 6mg/cm3이고 200만 라운드 압축한 후에도 초탄성을 보유하여 변형되지 않으며 –100℃ ~ 500℃ 온도 범위 내에서 초탄성 및 내피로성을 유지하는 등 우수한 성능을 보유하고 있다. 해당 신소재는 "대형", 대규모로 합성할 수 있을 뿐만 아니라 생물소재의 경제적 우위를 보유하고 있기에 항공 태양열 배터리, 슈퍼커패시터, 에너지 완충 및 센서 장치 등 분야에서 중요한 응용 전망이 있다.