페삭 벤슨 기자 • 2025년 10월 8일

 

예루살렘, 2025년 10월 8일 (TPS-IL) — 독일과 이스라엘의 과학자들이 지구상에서 가장 작고 가장 유망한 재료 중 일부를 연구할 새로운 방법을 발견했습니다. 이 발전은 더 나은 배터리, 유연한 전자 제품 및 청정 에너지 장치를 만드는 데 도움이 될 수 있습니다.

MXenes로 알려진 이 재료는 원자 두께의 얇은 시트로 구성됩니다. 이들은 전기를 전도하고, 에너지를 저장하며, 심지어 빛과 상호 작용하여 미래 기술을 더 빠르고 작고 효율적으로 만들 수 있습니다. 그러나 지금까지 연구자들은 겹쳐진 층의 큰 더미에서만 MXenes를 연구할 수 있었습니다. 이로 인해 각 단일 층이 자체적으로 실제로 무엇을 할 수 있는지 이해하기 어려웠습니다.

MXenes는 차세대 기술, 즉 초고속 충전 배터리 및 태양 전지부터 유연한 화면 및 수처리 멤브레인에 이르기까지 잠재력 때문에 수년 동안 흥분을 불러일으켰습니다. 그러나 이러한 아이디어를 현실로 만들기 위해 과학자들은 먼저 이러한 재료가 가장 작은 규모에서 정확히 어떻게 작동하는지 이해해야 합니다.

헬름홀츠-베를린 센터의 안드레아스 퍼크너 박사와 예루살렘 히브리 대학의 랄피 케나즈* 박사가 이끄는 연구팀이 이 문제를 해결했습니다. 그들은 새로운 광학 방법인 분광 미세 타원계(SME)를 사용하여 개별 MXene 조각을 하나씩 살펴보았습니다. 이 연구 결과는 동료 검토를 거친 ACS Nano 저널에 발표되었습니다.

이 기술은 미세 샘플에 신중하게 제어된 빛을 비추고 빛이 어떻게 반사되는지 측정하여 작동합니다. 이 반사로부터 과학자들은 재료가 전기를 얼마나 잘 전도하는지, 그리고 구조가 성능에 어떻게 영향을 미치는지 알 수 있습니다. 이전 방법과 달리 SME는 샘플을 손상시키지 않으며 1분 이내에 전체 분석을 완료할 수 있습니다.

이 방법을 공동 발명한 케나즈는 “이 연구에서 정말 뛰어난 점은 1분 이내에 개별 MXene 조각의 광학, 구조 및 전기적 특성을 비파괴적인 방식으로 직접 측정할 수 있다는 것입니다.”라고 말했습니다. “일반적으로 이러한 측정에는 세 가지 다른 장비와 훨씬 더 많은 시간이 필요합니다.”

퍼크너는 새로운 접근 방식이 과학자들에게 각 조각이 어떻게 작동하는지에 대한 명확한 그림을 제공한다고 말했습니다. 그는 “단일 MXene 조각이 빛과 상호 작용하는 방식을 측정함으로써 두께와 전도성의 미세한 변화를 정확히 파악할 수 있었습니다.”라고 말했습니다. “훨씬 느리고 파괴적인 기술과 결과가 얼마나 밀접하게 일치하는지 알게 되어 기뻤습니다.”

연구팀은 MXene 층이 얇아질수록 전기 저항이 증가한다는 것을 발견했습니다. 이는 안정적이고 효율적인 전자 부품을 설계하는 데 중요한 세부 사항입니다. 새로운 기술은 전자 현미경과 같은 강력한 이미징 도구의 정확도와 일치하여 정밀도를 확인했습니다.

히브리 대학의 로넨 라파포트 교수는 “이 연구는 스택된 층이나 불순물의 간섭 없이 MXenes의 고유한 특성을 직접 볼 수 있게 함으로써 MXenes를 실제 기술에 통합하기 위한 로드맵을 제공합니다.”라고 말했습니다. “이러한 재료를 연구하는 방식을 개선함으로써 에너지 및 광전자 장치에 사용될 수 있는 길을 열고 있습니다.”

헬름홀츠-베를린 센터의 트리스탄 페티 박사에 따르면 새로운 기술은 더 광범위한 영향을 미칠 수 있습니다. 그는 “이것은 이전에 크고 값비싼 X선 시설로만 가능했던 새로운 연구 분야를 열어줍니다.”라고 말했습니다. “이제 일반 실험실에서 훨씬 더 빠르게 유사한 작업을 수행할 수 있습니다.”

MXenes는 전기 에너지를 매우 효율적으로 저장하고 방출할 수 있어 차세대 리튬 이온 및 고체 배터리에 유망합니다. 얇고 구부러지기 때문에 MXenes는 웨어러블 장치, 스마트 의류 또는 접이식 전자에 전력을 공급할 수 있습니다. 또한 MXenes는 일반 배터리보다 빠른 전력 공급과 훨씬 빠른 재충전을 제공하는 장치인 슈퍼커패시터에 이상적입니다.

빛과 상호 작용하고 전기를 전도하는 능력은 MXenes를 태양 전지 및 태양광을 청정 에너지로 변환하는 광전화학 시스템에도 유용하게 만듭니다. 특히 MXenes는 물 분해 반응에서 촉매 역할을 하여 수소 생산을 개선할 수 있습니다.

MXenes는 물에서 중금속과 염을 걸러낼 수 있기 때문에 과학자들은 담수화 멤브레인 및 환경 정화 기술에 대해 이를 탐구하고 있습니다. 연구원들은 또한 바이오센서, 약물 전달 시스템 및 의료 진단에 잠재적으로 사용하기 위해 MXenes를 연구하고 있습니다.

페티 박사는 “이것은 협업과 고급 물리학이 재료 과학을 어떻게 가속화할 수 있는지 보여주는 강력한 시연입니다. MXenes는 시작에 불과합니다.”라고 말했습니다.