바카라 꽁 머니 자가 치유 능력을 지닌 겔 물질

일본산업기술종합연구소(AIST) 나노시스템 연구소(원장: 야세 키요시, 원장: 노마쿠치 타모츠)의 스마트 재료 그룹 요시다 마사루(리더)와 야마모토 다카히로(연구원)가 다음과 같은 겔 물질(고분자 바카라 꽁 머니와 액정의 복합 겔)을 개발했습니다 빛 조사로 인해 손상된 부분을 복구합니다 겔 소재는 겔 내 광반응성 소재의 광이성질화 현상을 기반으로 빛을 이용해 졸과 겔 상태를 조절해 작은 흠집을 단시간에 복구할 수 있다 이 스크래치 복구 과정은 반복될 수 있습니다 또한 큰 전단 변형으로 인해 졸 상태로 전이가 발생하면 적용된 변형을 제거하여 재료가 빠르게 겔 상태로 돌아갑니다

빛을 이용하여 물질의 졸-겔 전이를 제어할 수 있는 기술은 기초 소재기술이 될 것으로 기대됩니다 바카라 꽁 머니 보수할 수 있는 코팅재를 사용하면 제품의 내구성과 수명이 늘어나 자원 절약 및 환경부하 감소에 기여할 수 있습니다

이 연구 결과는 다음 온라인에 게시됩니다랭뮤어, American Chemical Society의 과학 저널, 2012년 5월 24일(JST) 이는 또한 2012년 5월 29일부터 31일까지 요코하마 파시피코 요코하마에서 개최된 일본 고분자 과학회 제61차 연례 회의에서 발표될 예정입니다

광유도 졸-겔 전이를 이용한 스크래치 복구 과정 (a) 빛 조사 전(스크래치 있음, 젤 상태); (b) 자외선 조사 후(스크래치 없음, 졸 상태); (c) 가시광선 조사 후(스크래치 없음, 젤 상태)

현재 부드러운 소재인 젤은 식품, 화장품, 산업용 증점제 등 다양한 응용 분야에 사용되며 더 많은 용도로 사용될 가능성이 있습니다 최근에는 바카라 꽁 머니와 장비의 내구성과 수명을 증가시켜 에너지 및 자원 절약에 기여하기 위해 젤을 이용한 자가치유 소재가 개발되고 있다 자가수복바카라 꽁 머니의 요건은 다음과 같다 1) 실온, 공기중 등 온화한 환경에서 자가수복이 가능하다 2) 손상을 복구하기 위해 첨가제가 필요하지 않습니다 3) 손상을 반복적으로 복구할 수 있습니다 또한 짧은 시간에 자가 수리가 가능하다는 점은 실용적인 측면에서도 중요합니다 자가수복물질에 적용할 수 있는 우수한 특성을 갖는 겔물질의 개발이 필요하다

AIST는 겔 응용에 중점을 두고 다양한 겔화제를 개발했습니다 최근에는 다양한 용매를 젤라틴화할 수 있는 유기전해올리고머를 개발했다(AIST 보도자료, 2007년 5월 25일) 또한, 새로운 젤 소재 개발 노력의 일환으로 고분자 바카라 꽁 머니가 액정에 분산되어 있는 바카라 꽁 머니-액정 복합계에 아조벤젠 유도체를 접목시켜 광감응 소재를 개발하기도 했다시스-트랜스아조벤젠 유도체의 광이성질화 AIST는 빛으로 바카라 꽁 머니의 응집 상태와 물질의 광학적 특성을 제어하는 ​​데 성공했습니다 본 연구에서는 이들 소재 기술을 결합하고, 액정에 형성된 바카라 꽁 머니의 자기조직적 3차원 네트워크와 그 네트워크에 의해 나타나는 겔 상태에 주목하여 빛과 전단 변형률에 의해 졸-겔 전이가 제어될 수 있는 겔 소재를 개발했다

73922_74517시스-트랜스아조벤젠 유도체의 광이성질화(그림 1) 도 1의 겔 물질은 고분자 바카라 꽁 머니(약 20wt%)를 소량의 아조벤젠 유도체(약 1mol%)와 함께 액정에 분산시켜 제조하였다 겔 재료 표면에 작은 스크래치(약 2mm 깊이)가 생겼습니다(그림 1a) 스크래치 중 하나에 렌즈로 초점을 맞춘 자외선(파장: 365nm)을 32°C(액정의 상전이 온도인 355°C보다 약간 낮은 온도, 물질의 겔 상태가 유지됨)에서 10초 동안 조사하면,트랜스양식을시스형태가 관찰되었습니다 동시에 액정의 상구조가 네마틱에서 등방성으로 변화하고 바카라 꽁 머니의 3차원 네트워크가 파괴되면서 조사된 영역에서 겔 상태에서 졸 상태로 전이되는 현상이 발생했다 졸 상태로의 전이는 물질의 유동성을 증가시키며 스크래치는 졸 상태의 물질로 채워졌다(그림 1b)시스양식을트랜스형성되었으며, 액정의 상 구조가 네마틱으로 변화되고, 바카라 꽁 머니의 3차원 네트워크가 복원되고, 물질이 겔 상태로 돌아가고, 표면 스크래치가 복구되었습니다(그림 1c) 젤을 어두운 곳에 하룻밤 방치하면 조사된 부위의 색이 원래의 색으로 돌아옵니다

그림 1 : 바카라 꽁 머니-액정 복합겔 표면 스크래치의 광치유 (a) 초기 상태; (b) 자외선 조사 후(조사 시간: ~10초); (c) 가시광선 조사 후(조사 시간: ~10초)

표면 스크래치를 복구한 후 젤을 어두운 곳에 하룻밤 동안 방치했을 때 색상이 변했습니다 조사된 부분이 원래 색상으로 돌아왔습니다

첨가된 바카라 꽁 머니의 농도와 저장 탄성률 사이의 관계가 측정되었습니다 모듈러스는 바카라 꽁 머니-액정 복합 겔의 기본 특성인 경도의 지수입니다(그림 2a) 겔 물질의 저장 탄성률은 첨가된 바카라 꽁 머니의 농도가 증가함에 따라 선형적으로 증가하므로 물질의 경도는 농도에 따라 조정될 수 있습니다 저장 탄성률의 증가는 첨가된 바카라 꽁 머니의 수가 증가함에 따라 3차원 네트워크의 강도가 증가한다는 사실에 기인합니다 현재 10⁴빠 바카라 꽁 머니가 충분히 자립하여 형태를 유지할 수 있고 성형성이 좋은 것으로 확인되었습니다(그림 2b, c)

그림 2 : (a) 바카라 꽁 머니-액정 복합 겔의 저장 탄성률과 농도의 관계 추가된 바카라 꽁 머니; (b) 겔의 자립성(b) 및 성형성(c)(첨가된 바카라 꽁 머니의 농도: 30wt%)

일반적으로 겔 물질에 큰 전단 변형을 가하여 물질에 형성된 3차원 네트워크를 파괴하면 물질이 졸 상태로 변하고 종종 겔 상태로 돌아가지 않거나 그렇지 않으면 겔 상태로 돌아가는 데 오랜 시간이 걸립니다 전개된 물질에 큰 전단 변형률을 가하면 졸 상태로 변화된다 (그림 3) 작은 전단 변형률(■, 01%)에서는 저장 탄성률(●)이 손실 탄성률(▲)보다 크고 재료는 겔 상태(●>▲)를 나타냅니다 겔 상태의 물질에 큰 전단변형률(300%)을 가한 경우 손실 탄성률이 저장 탄성률보다 크게 나타나 물질이 졸 상태(▲>●)로 변화하였다 그러나 전단 변형률이 다시 감소(01%)되면 재료는 즉시 겔 상태(●>▲)로 돌아갑니다 이 물질에서는 바카라 꽁 머니가 액정의 네마틱상 도메인 사이에 강하게 응집되어 3차원 네트워크를 형성했습니다 이는 큰 변형을 가한 후에도 3차원 네트워크가 완전히 파괴되지 않았으며, 변형이 제거되자마자 원래의 3차원 네트워크가 복원되어 물질이 겔 상태로 되돌아가는 것을 의미합니다 물을 용매로 하는 하이드로겔 소재에서도 비슷한 현상이 일어나는 것으로 알려져 있으나, 액정 등의 유기용매를 사용하는 겔 소재에서는 거의 발생하지 않는다 이 특성은 개발된 재료의 특징입니다

그림 3 : 바카라 꽁 머니-액정 복합 겔의 빠른 요변성

개발된 겔 바카라 꽁 머니은 빛 자극에 의해 유도된 졸-겔 전이를 이용하여 손상을 복구할 수 있으며 빠른 요변성을 나타냅니다 본 젤 소재를 기반으로 한 향후 개발을 통해 다양한 제품의 내구성과 수명을 증가시키는 자가치유 코팅이 기대됩니다

개발된 겔 물질은 자외선에 반응하는 아조벤젠 유도체를 사용합니다 다양한 파장의 빛을 사용하여 복구를 수행하기 위해 연구진은 아조벤젠 이외의 작용기를 가진 광반응성 재료를 사용하여 가시광선과 적외선으로 졸-겔 전이를 제어하는 ​​방법을 조사할 예정입니다 더 낮은 온도에서 빛으로 손상을 복구할 수 있는 젤과 더 높은 강도의 젤 개발을 목표로 아조벤젠 유도체 첨가량, 액정의 상구조와 상전이온도, 바카라 꽁 머니의 크기와 재질 등에 따른 효과도 평가할 예정이다 앞으로 연구진은 이러한 결과에 관심이 있는 기업과 공동 연구를 진행하여 코팅을 비롯한 겔 소재의 다양한 산업 분야에서의 응용 분야를 개발할 예정입니다