기계/재료

중국과기대, 몇 분 만에 바닷물 한 컵을 음용수로 만드는 박막 필터 연구

발행일 : 2014 / 03 / 18

중국과학기술대학의 우헝안(吳恒安) 교수가 이끄는 연구팀은 노벨상 수상자인 영국 맨체스터대학(University of Manchester)의 Andre Geim 교수 연구팀과 협력연구를 통해, 그래핀 산화물 여과막이 고속 이온 선별능력을 갖고 있음을 발견하였다. 관련 연구성과는 <Scinence> 지에 발표되었다.

그래핀은 독특한 역학 및 전기학 특성을 지니고 있어 “신비한 재료”로 불린다. 하지만 그래핀과 물사이의 상호작용 원리에 대해서는 알고 있는 사람이 많지 않다. 그래핀은 물을 배척하는 경향을 가진 소수성 물질이지만, 물속에 넣으면 그래핀 모세관은 오히려 물을 급격하게 빨아들인다.

연구진의 최신 연구결과, 물속에서 산화 그래핀 박막은 물과 상호작용한 후, 폭이 0.9nm되는 모세관을 형성하기 때문에 0.9nm보다 작은 크기의 이온이나 분자는 빠르게 통과되지만 0.9nm보다 크기가 큰 이온을 완전히 차단하는 현상을 발견하였다. 이러한 선별효과는 이온치수에 대한 요구가 매우 정확할 뿐만 아니라 전통적인 농도확산보다 1천배이상 빠른 것이 장점이다.

우헝안 과제팀은 이론분석과 분자모의방법을 통해 그래핀 나노 통로의 고속 이온필터 원리에 대한 연구를 수행했다. 컴퓨터 시뮬레이션 연구결과, 그래핀과 이온 사이의 상호작용에 의해 이온을 나노통로에 집결시키기 때문에 이온의 고속 확산을 촉진하는 것으로 나타났다. 이 발견은 실험결과를 합리적으로 해석하였고 “이온 해면(海綿)효과”라고도 불린다.

전문가들은 만약 기계적인 수단을 통해 박막의 모세관 치수를 한층 더 압축시킨다면 해수 중의 염분을 효율적으로 여과할 수 있을 것으로 분석했다. 이는 바닷물 한컵을 몇 분 만에 음용수로 여과할 수 있는 필터장치를 만드는 것이, 더 이상은 과학환상소설에 나타나는 장면이 아님을 의미한다.

「Science」지는 그래핀 산화막의 이러한 발견은 많은 분리응용에 있어서 중요한 의미를 지니며, 특히 해수담수화, 물 정화, 센서기술 및 에너지전환 등 다양한 분야에서 응용전망이 밝을 것이라고 평가하였다.