그래핀

[find souls in the tree of life]

고대 그래핀 인간이 발견되기 30억 년 전에 형성되었습니다. 고것입니다. 자연적으로 형성된 그래핀은 남아프리카의 금광 아래 320억 년 된 암석에서 처음으로 발견되었다.Skip to content
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화학
고대 그래핀은 인간이 발견하기 30억 년 전에 형성되었다.
원자 두께의 탄소인 그래핀은 2004년 끈적끈적한 테이프와 연필 흑연을 이용해 발견됐지만 현재 연구자들이 금광에서 최초로 천연 그래핀을 발견했다

~옆에 알렉스 윌킨스

2023년 7월 18일


그래핀은 단 원자 두께이다

이반 헤수스 크루스 시비에타/이스톡포토/게티 이미지

자연적으로 형성된 그래핀은 남아프리카의 금광 아래 320억 년 된 암석에서 처음으로 발견되었다. 그 발견은 많은 유용한 전자 특성을 가진 물질을 생산하는 더 에너지 효율적인 방법으로 이어질 수 있다.

1원자 두께의 탄소인 그래핀은 2004년 과학자들이 연필 흑연에서 층을 떼기 위해 끈적끈적한 테이프를 사용하여 처음 발견되었지만, 생산을 늘리는 것은 어려운 것으로 판명되었다. 현재 많은 양의 그래핀을 만드는 산업 방법은 1000°C(1800°F)를 초과하는 온도를 필요로 한다....


그래핀은
https://m.dongascience.com/news.php?idx=63190

물질을 이루는 원자들 간의 결합력이 강할수록 총알이 관통하기 어렵다. 그런 의미에서 ‘그래핀(graphene)’은 특별하다. 그래핀은 탄소 원자들이 강력한 공유결합을 통해 육각형 벌집 모양으로 연결돼 있다. 두께는 0.3㎚(나노미터·1㎚는 10억 분의 1m) 정도. 2차원 평면 구조다. 그래핀을 규칙적으로 쌓아올려 3차원 구조로 만들면 연필심에도 사용하는 흑연이 된다.

놀라운 점은 그래핀의 강도가, 지구상에서 가장 강한 물질로 알려진 다이아몬드의 강도를 뛰어 넘는다는 사실이다

그래핀은 열을 전달하는 능력도, 열을 차단하는 능력도 뛰어나다. 재미있게도, 동일한 그래핀 층 내에서는 열전도율이 높지만 위아래로 쌓인 그래핀 사이의 열전도율은 그래핀 층 내부 열전도율의 100분의 1도 채 안 된다.



가볍고 강한 방탄복이나 우주에서도 쓰일 수 있다. 지구 저궤도에서 활동하는 우주인의 우주복을 방탄 소재로 만들면 극초음속으로 날아다니는 우주쓰레기로부터 보호할 수 있다.

실리콘 카바이드 웨이퍼 위에 그래핀을 성장시켜 만든 기능성 그래핀 반도체. 미국 조지아공대 제공

그래핀은 탄소 원자가 육각형 벌집 모양의 결정 구조로 결합해 0.2나노미터(10억분의 1미터, nm)로 이뤄진 막으로 된 물질이다. 사람이 인공적으로 만든 물질 중에 가장 얇은 두께를 가졌다. 수 나노미터 단위의 공정이 가능하기 때문에 반도체 소자 소형화의 기존 한계를 돌파할 소재로 꼽힌다. 여기에 전자 이동 속도도 기존 반도체 소재인 실리콘보다 100배 이상 빠르며 전기전도율은 구리의 100배에 달하는 특성까지 지니며 '꿈의 소재'로 주목받았다.


미국 조지아공대, '밴드갭' 관찰 그래핀 반도체 첫 개발…범용 반도체 활용 '미지수'
실리콘 카바이드 웨이퍼 위에 그래핀을 성장시켜 만든 기능성 그래핀 반도체.
실리콘 카바이드 웨이퍼 위에 그래핀을 성장시켜 만든 기능성 그래핀 반도체. 미국 조지아공대 제공
열과 전기를 전달하는 전도성이 뛰어나 '꿈의 소재'로 불리며 차세대 반도체 소재로 여겨지는 그래핀을 토대로 한 기능성 반도체가 첫 구현됐다.



'그래핀 반도체'는 이론적으로 기존 실리콘 반도체보다 처리속도가 최대 142배 빠를 것으로 기대됐다. 문제는 반도체 구현에 필요한 전자적 특성인 '밴드갭'을 갖지 못해 그간 개발이 이뤄지지 못했다는 점이다.




이번 연구에선 지금까지 그래핀에서 관찰됐던 것 중 가장 큰 값의 밴드갭을 관찰하는 데 성공했다. 다만 국내 전문가들은 이번 연구 결과가 그래핀 본연의 특성을 열화시킨 상태에서 나온 만큼 실제로 '그래핀 반도체' 개발로 이어질지에 대해선 선을 그었다.



월터 드 미국 조지아공대 교수 연구팀은 탄화규소 웨이퍼 상에 여러 층의 그래핀을 올려 기능성 반도체를 개발한 연구 결과를 3일(현지시간) 국제학술지 '네이처'에 발표했다.



그래핀은 탄소 원자가 육각형 벌집 모양의 결정 구조로 결합해 0.2나노미터(10억분의 1미터, nm)로 이뤄진 막으로 된 물질이다. 사람이 인공적으로 만든 물질 중에 가장 얇은 두께를 가졌다. 수 나노미터 단위의 공정이 가능하기 때문에 반도체 소자 소형화의 기존 한계를 돌파할 소재로 꼽힌다. 여기에 전자 이동 속도도 기존 반도체 소재인 실리콘보다 100배 이상 빠르며 전기전도율은 구리의 100배에 달하는 특성까지 지니며 '꿈의 소재'로 주목받았다.



문제는 그래핀에 반도체의 가장 중요한 성질인 밴드갭이 존재하지 않는다는 것이다. 전자들이 모여 있는 부분과 전자들이 전혀 없는 부분 사이에서 일종의 장벽으로 이뤄진 공간인 밴드갭은 자유전자들이 돌아다니면서 전기가 통하게 한다. 밴드갭이 없으면 항상 전기가 통하는 전도체가 되고 밴드갭이 너무 크면 전기가 통하지 않는 부도체가 된다. 전기가 어떨 때는 통하고 어떨 때는 통하지 않는 반도체가 되기 위해선 적당한 밴드갭이 필요하다.



연구팀은 특수하게 제작된 반도체 웨이퍼 가열 장비를 사용해 탄화규소(실리콘 카바이드) 웨이퍼 표면에 에피택셜 그래핀을 성장시켰다. 에피택셜 그래핀은 탄화규소 상에서 2~10층의 그래핀을 올린 것을 의미한다.



이렇게 제작된 그래핀 기반 반도체가 실제로 기능할 수 있는지 알아보기 위해 연구팀은 실험을 진행했다. 그래핀 위에 전기를 전달하는 원자를 올려 양질의 전도체인지 확인했다. 그 결과 기존 실리콘 반도체보다 10배 이상 높은 전자 이동도가 확인됐다. 전자에 가해지는 저항이 낮아 반도체 작동 속도가 훨씬 빨라질 수 있다는 설명이다. 또 0.6전자볼트(eV)의 밴드갭이 관찰됐다. 이는 지금까지 그래핀에서 관찰된 밴드갭 중 가장 큰 값이다.



연구팀은 이번 연구에서 개발한 그래핀 반도체에 대해 "현재 나노 전자공학에서 사용되는 데 필요한 모든 특성을 갖춘 유일한 2차원 반도체"라고 말했다.



일부 전문가들은 이번 연구가 매우 제한적인 조건에서 이뤄졌기 때문에 실제 범용 반도체 개발로 이어질지는 미지수라고 말했다. 이번에 연구에선 실리콘 카바이드 웨이퍼 위에 그래핀을 올렸는데 이러한 구조에선 안정성과 성능이 저하되는 문제가 발생할 수 있다는 설명이다.



이병훈 포스텍 반도체공학과 교수는 "실리콘 카바이드 위에 그래핀을 올리면 일종의 접착면이 생기게 되는데 이렇게 되면 구조에 산란이 발생하며 전체 성능이 떨어질 수 밖에 없다"고 설명했다.



밴드갭이 관찰된 시점의 그래핀이 열처리 과정을 거치면서 굉장히 열화된 상태인 점도 꼬집었다. 이 교수는 "쉽게 말해 그래핀이 '조각조각 찢겨나간 상태'로 정상적인 양질의 상태가 아니다"라고 짚었다. 그는 "지금까지 중 가장 높은 밴드갭 값이 관찰된 것은 과학적으로 매우 흥미롭지만 당장 효용성을 가진 반도체 개발의 단서라고 보기에는 어렵다"고 이번 연구를 평가했다.



불소로 그래핀 3배 더 빠르게 만든다.

연구진이 개발한 초고속 성장기술의 모식도<br><br>연구진은 2차원 그래핀 성장에 불소를 국소적으로 주입하는 방식의 초고속 대면적 성장기법을 개발했다. 금속불화불과 구리 박막 사이 좁은 틈에 갇힌 불소(F)는 메탄가스(CH4)를 더 쉽게 분해되는 형태의 기체로 변환시키고, 이 때문에 그래핀은 원료인 탄소를 쉽게 얻어 더 빠르게 성장할 수 있다/자료=IBS

https://m.mt.co.kr/renew/view_amp.html?no=2019071513140052473

물성이 우수한 2차원 소재를 활용하기 위해서는 제조시간 단축이 급선무인 것. 지금까지는 원료물질을 바꾸거나 온도를 조절하는 등 제조환경 자체를 바꾸는 방법이 시도됐다. 하지만 이 방식으로는 그래핀의 성장을 완전히 제어할 수 없어 근본적인 해결책이 필요했다.
공동연구진은 그 해결책으로 ‘불소’에 주목했다. 전기음성도가 높아 반응성이 좋은 불소를 합성 과정에 적용하면 2차원 소재의 빠른 합성에 유리할 것으로 예상했다. 전기음성도는 원자나 분자가 화학 결합을 할 때 다른 전자를 끌어들이는 능력을 말한다.
하지만 불소기체를 곧바로 주입할 경우 반응성이 큰 불소가 다른 물질과 결합해 독성물질을 생성할 위험이 있다. 이 때문에 연구진은 공간적으로 제한된 부분에서만 국소적으로 불소를 활용하는 방법을 고안했다.
연구진은 우선 대표적인 2차원 도체물질인 그래핀 성장에 불소를 적용했다. 일반적으로 그래핀 성장에는 화학기상증착(CVD)법이 쓰인다. 이는 금속기판 표면에 메탄가스(CH4)를 주입, 메탄 속 탄소(C) 원자가 금속기판에 흡착하는 식으로 그래핀을 형성하는 방식이다.
연구진은 금속기판으로 불소를 함유한 금속불화물(MF2)을 사용하고, 이 위에 얇은 구리(Cu) 필름을 올린 형태의 기판을 제작했다. 그리고 온도를 높여 불소가 금속불화물로부터 방출되게 했다.
불소는 금속불화물과 구리 필름 사이 10~20㎛(마이크로미터‧1㎛는 100만 분의 1m)의 매우 좁은 공간에서만 머물게 된다. 불소가 다른 물질과 반응하지 않도록 일종의 장벽을 세워 가둔 것. 이 틈 속에서 불소로 인해 메탄가스는 더 분해가 쉬운 형태의 기체(CH3F, CH2F2)로 바뀌고, 최종적으로 그래핀은 더 손쉽게 원료인 탄소를 얻어 더 빠르게 성장할 수 있다.
공동 제1저자인 루 치우(Li Qui) IBS 다차원 탄소재료 연구단 연구원(UNIST 박사과정생)은 “메탄분자와 불소가 반응해 생긴 기체들은 더 쉽게 분해되고, 이로 인해 탄소 공급이 가속화돼 더 빠르게 그래핀을 성장시킬 수 있는 것”이라고 설명했다.
새로 개발된 기술은 그래핀을 분당 12㎜의 속도로 빠르게 성장시켰다. 이는 지금까지 보고된 그래핀 성장 최고 속도였던 분당 3.6㎜ 보다 3배 이상 빠른 속도다. 가령 기존에 면적 10㎠ 그래핀 제조에 10분이 소요됐다면, 개발된 기술로는 이 시간을 3분 정도로 단축할 수 있는 셈이다.
연구진은 이 기술을 대표적인 2차원 부도체 물질인 육방정계 질화붕소(h-BN)와 반도체 물질인 텅스텐이황화물(WS2) 성장에도 적용했다. 그 결과, 그래핀과 마찬가지로 주입된 불소가 성장속도를 크게 단축함을 확인했다. 불소가 다양한 2차원 소재들의 성장속도를 가속하는 상용화의 열쇠임을 증명한 것이다. 펑딩 그룹리더는 “2차원 물질의 성장과정에서 불소를 국소적으로 주입하는 간단한 방식으로 상용화의 걸림돌이 되던 성장속도 문제를 해결했다”며 “불소와 같은 반응성이 좋은 물질들로 다양한 2차원 물질을 더 향상된 속도로 합성할 수 있을 것”이라고 말했다.

• 이번 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 케미스트리’에 게재됐다.

https://steemit.com/kr/@kongkakku/9g14n

한국은 지난 2013년을 기준으로 총 1160개의 그래핀 관련 특허를 보유하면서 중국(30%)과 유럽연합(26%)에 이은 3위(22%)에서 리더를 수임(국제 전기기술 위원회) 하고 있습니다. 한국은 그래핀 분야에서 한때(2010~2011년) 그래핀 관련 특허 취득 수가 가장 많은 국가였습니다.



https://m.dongascience.com/news.php?idx=49167

[팩트체크] mRNA 백신에 산화 그래핀이 들어 있다?

소량의 그래핀을 첨가함으로써 야연분말 함량이 35% 이상 감소하고 방부도료 비중이 30% 이상 감소



토르의 무쇠망치, 현실에서 만들 수 있다! 없다

토르의 무쇠망치, 현실에서 만들 수 있다! 없다
https://m.mt.co.kr/renew/view_amp.html?no=2013111511122619216

이에 가장 근접한 재료가 있다. 바로 꿈의 신소재로 불리는 '그래핀'이다. 그래핀은 전선의 구리보다 100배 이상 전기를 잘 통과시킬 뿐만 아니라 반도체 주 성분인 실리콘보다 100배 이상 전자의 이동성이 빠르다. 강도는 강철보다 200배 이상 강하며, 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높다. 또 빛을 대부분 통과시키기 때문에 투명하며 신축성도 매우 뛰어나다.


그래핀은 우주에서 가장 얇고 가장 강한 물체"라며 "질량이 없는 물체처럼 매우 빠르게 움직여 실리콘보다 전자를 100배 이상 빠르게 이동시킨다"고 설명했다. 그래핀은 상온 열전도율이 제일 높고 구리보다 단위 면적당 100만배 많은 전류를 보낼 수 있다. 손 교수는 "그래핀은 인류가 최초로 발견한 2차원 결정

https://cm.asiae.co.kr/article/2010100519322539851

흑연의 한 층에 특이한 성질이 있을 거라고 최초로 예측된 것은 1947년"이라며 "물리학적 의미에서 그래핀의 발견은 도체 안에서 고에너지 입자물리 현상들을 관측할 수 있는 기회를 제공했다"고 수상 의의를 설명했다.


유연하고 열전도성, 전기전도성이 뛰어난 그래핀은 휘어지는 디스플레이나 입는 컴퓨터에 적용할 수 있는 '꿈의 신소재'로 각광받고 있으며 각국 과학계가 연구에 박차를 가하고 있다.






https://www.newyorker.com/magazine/2014/12/22/material-question

Material Question

존 콜라핀토

December 15, 2014



하나의 원자 두께, 그래핀은 알려진 가장 얇은 물질이며 가장 강할 수 있다.채드 하겐의 삽화
맨체스터 대학의 물리학 교수인 안드레 가임이 그래핀이라는 특이한 새로운 물질을 발견하기 전까지 그는 전자석을 이용해 개구리를 공중화시키는 실험으로 가장 잘 알려져 있었다. 1958년 소련에서 태어난 가임은 뛰어난 학자로, 고등학생으로서, 그는 천 페이지의 화학 사전을 암기함으로써 대회에서 우승했지만, 그는 또한 비정통적인 유머를 가지고 있다. 그는 개구리 실험을 발표했습니다. 유럽물리학저널“날으는 개구리와 레빗트론”이라는 제목으로 2000년에 이그 노벨상을 수상했는데, 이 상은 매년 가장 어리석은 실험으로 상을 받았다. 동료들은 가임에게 명예를 거절할 것을 촉구했지만 그는 거절했다. 그는 개구리의 공중부양이 중요한 발견으로 이어질 수 있는 측면 사고의 수용인 그의 스타일에 필수적인 부분으로 보았다. 곧이어, 그는 학생들을 위한 “금요일 세션”을 주최하기 시작했습니다: 자유 형식의, 주말 실험, 때때로 몇몇 맥주에 의해 연료가 공급됩니다. “금요일 세션은 당신이 직업 생활 동안 지불하지 않고 하지 말아야 할 것을 의미합니다,”라고 게임은 최근에 나에게 말했습니다. “궁금성 주도의 연구. 무작위적이고 단순하며 약간 이상할 수도 있고 말도 안 되는 것 같아요.” 그는 “그것이 없다면, 발견은 없다”고 덧붙였다.

그런 날 저녁, 2002년 가을, 가임은 탄소에 대해 생각하고 있었다. 그는 현미경적으로 얇은 물질을 전문으로 하며, 특정 실험 조건에서 탄소의 매우 얇은 층이 얼마나 작용할 수 있는지 궁금해했다. 원자 두께의 탄소층 스택으로 구성된 흑연은 작업해야 할 명백한 물질이었지만, 슈퍼씬 샘플을 분리하는 표준 방법은 물질을 과열시켜 파괴할 것이다. 그래서 가임은 그의 새로운 박사 과정 중 한 명인 다장(Da Jiang)을 세웠는데, 이것은 가능한 한 얇은 샘플을 얻기 위해 노력하는 임무인 아마도 몇 백 개의 원자 층일 것이다. 몇 주 후, 장 주석은 페트리 요리에 탄소 한 조각을 전달했다. 현미경으로 그것을 본 후, 가임은 그에게 다시 시도해 달라고 요청했고, 장 주석은 이것이 수정에 남은 전부라고 인정했다. 가임이 그를 놀리며 훈계했을 때(“모래알을 얻기 위해 산을 다듬었나?”) 그의 선배들 중 한 명이 폐바구니에 있는 사용된 스카치 테이프의 공을 쳐다보았고, 그 끈적끈적한 면은 회색으로 약간 반짝이는 흑연 잔재 필름으로 덮여 있었다.

연구진이 실험용 샘플의 접착 특성을 시험하기 위해 테이프를 일상적으로 사용하는 전 세계 실험실에서 친숙한 광경이었을 것이다. 흑연을 구성하는 탄소의 층은 약하게 결합되어 있다(1564년, 종이를 가로질러 끌려갔을 때 눈에 띄는 흔적을 남긴 연필의 경우). 그래서 테이프는 쉽게 조각을 제거한다. 가임은 현미경 아래에 테이프 조각을 두었고 흑연 층이 그가 본 어떤 것보다 더 얇다는 것을 발견했다. 테이프를 접고 잔기를 함께 눌러서 떼어내면서 플레이크를 더 얇은 층으로 껍질 벗길 수 있었다.

가임은 최초로 발견된 2차원 물질인 원자 두께의 탄소층을 원자 현미경으로 벌집 패턴으로 연결된 육각형의 평평한 격자로 분리했다. 이론 물리학자들은 그러한 물질을 “그래핀”이라고 부르며 추측했지만, 단일 원자층을 상온에서 얻을 수 없다고 가정했다. 그것은 미세한 공으로 분리될 것이다. 대신, 게임은 그래핀이 단일 평면에 남아 물질이 안정화되면서 파문을 일으켰다.

게임은 콘스탄틴 노보셀로프라는 박사과정 학생의 도움을 요청했고, 그들은 그라핀을 공부하면서 14시간 동안 일하기 시작했다. 그 후 2년 동안, 그들은 물질의 놀라운 특성을 밝혀낸 일련의 실험을 설계했다. 독특한 구조 때문에, 전자는 특별한 속도와 자유로 움직이면서 다른 층에 의해 방해받지 않고 격자를 가로질러 흐를 수 있다. 그것은 구리보다 천 배 더 많은 전기를 운반할 수 있습니다. 게임이 나중에 “첫 번째 유레카 모멘트”라고 불렀던 것에서, 그들은 그래핀이 뚜렷한 “필드 효과”를 가지고 있다는 것을 증명했는데, 이것은 일부 물질들이 전기장 근처에 놓였을 때 보여주는 반응으로 과학자들이 전도도를 조절할 수 있게 한다. 현장 효과는 컴퓨터 칩에 사용되는 실리콘의 정의적 특성 중 하나로, 그래핀이 수년 동안 컴퓨터 제조사들이 추구해 온 것인 대체재 역할을 할 수 있다는 것을 암시했다.

게임과 노보셀로프는 그들의 발견을 설명하는 3페이지짜리 논문을 썼다. 그것은 두 번 거절되었습니다. 자연한 독자가 안정적이고 2차원적인 물질을 분리하는 것은 “불가능하다”고 말했고, 또 다른 독자는 “충분한 과학적 발전”이 아니라고 말했다. 그러나 2004년 10월, “원자형 탄소 필름의 전기 현장 효과”라는 논문이 출판되었습니다. 과학그리고 그것은 과학자들을 놀라게 했습니다. “공상과학이 현실이 된 것 같았다”고 삼성공과대학교 길영준 상무가 말했다.

전 세계 실험실은 가임의 스카치 테이프 기술을 이용한 연구를 시작했고, 연구원들은 그래핀의 다른 성질을 확인했다. 비록 그것은 알려진 우주에서 가장 얇은 물질이었지만, 그것은 강철의 동등한 무게보다 150배 더 강했고, 실제로 측정된 가장 강한 물질이었습니다. 그것은 고무만큼 유연했고 그것의 길이의 백이십 퍼센트까지 뻗을 수 있었다. 당시 콜롬비아 대학의 필립 킴의 연구는 그래핀이 이전에 보여진 것보다 훨씬 더 전기적으로 전도성이 있다고 판단했다. 김은 다른 물질이 아원자 입자의 움직임을 늦출 수 없는 진공에 그래핀을 매달았고, 전기 전하가 반도체를 가로질러 흐르는 속도인 실리콘의 최대 200배에서 “모빌리티”를 가졌다는 것을 보여주었다.



게임과 노보셀로프가 논문을 발표한 지 6년 후인 2010년, 그들은 노벨 물리학상을 받았다. 그때쯤, 언론은 그래핀을 “경이로운 물질”이라고 부르고 있었는데, 그것은 가디언 “세상을 바꿀 수 있습니다.”라고 말합니다. 물리학, 전기 공학, 의학, 화학, 그리고 다른 분야의 학술 연구자들이 그래핀으로 몰려들었고, 최고 전자 회사의 과학자들도 마찬가지였다. 미국 특허청은 최근 2011년 3,018건에서 2013년 초 8,416건으로 그래핀 관련 특허의 전 세계 확산을 상세히 기록한 보고서를 발간했다. 특허는 초장수 배터리, 벤더블 컴퓨터 스크린, 물의 탈염화, 향상된 태양 전지, 초고속 마이크로 컴퓨터 등 다양한 응용을 제안한다. 게임과 노보셀로프의 학술원인 맨체스터 대학에서 영국 정부는 6천만 달러를 투자하여 미국 최고의 특허권자인 한국, 중국, 미국과 경쟁하게 하기 위해 국립 그래핀 연구소를 만드는 것을 도왔는데, 이 모든 것들은 그래핀에 대한 세계 변화의 첫 사용을 찾기 위해 경쟁에 뛰어들었다.

발견 순간부터 변형 산물로의 기술의 진보는 느리고 구불구불하다; 과학자들 사이의 합의는 상황이 잘 될 때에도 수십 년이 걸린다는 것이다. 폴 로터버와 피터 맨스필드는 1973년 MRI를 개발한 공로로 노벨상을 공동 수상했다. 1824년 스웨덴의 화학자 욘스 야콥 베르젤리우스가 실리콘을 정화한 순간과 반도체 산업의 탄생 사이에 1세기가 넘었다.

새로운 발견은 시장에서 엄청난 도전에 직면한다. 그것들은 이미 판매하기 위해 제품보다 눈에 띄게 저렴하거나 더 좋아야 하며, 상업적인 규모로 제조하는데 도움이 되어야 한다. 그래핀과 같이 물질이 표적이 되지 않은 고요한 발견으로 도착하면 또 다른 장벽이 있다: 상상력의 한계. 이제 이런 것들이 있는데 어떻게 해야 하나요?

새 요커의 비디오

날밤맹: 시야 없는 볼링


18-20년대 실험실에서 미세한 양으로 발견된 알루미늄은 금속에서 볼 수 없는 특징들로 경량화되었고, 빛이 나고, 녹에 강하며, 전도성이 높았다. 점토(처음에는 “점토에서 은”이라고 불렸으며, 일반적인 물질에서 귀중한 물질이 생성되었다는 생각은 그것을 연금술의 질을 빌려주었다. 18-50년대에 프랑스의 화학자가 한 번에 몇 그램을 만드는 방법을 고안했고, 알루미늄은 비싼 보석에 사용하기 위해 빠르게 채택되었다. 30년 후, 전기를 사용하는 새로운 공정이 산업 생산을 허용했고 가격은 급감했다.

“사람들은 “와! 우리는 이 은을 점토에서 가져왔고, 지금은 정말 저렴하고 어떤 것에도 사용할 수 있습니다.” 메릴랜드 대학의 기술 역사학자 로버트 프리델이 말했습니다. 그러나 그 열정은 곧 식었다: “그들은 그것을 어떻게 사용할지 알아낼 수 없었다.” 1900년, 시어스 앤 로벅 카탈로그는 알루미늄 냄비와 팬을 광고했습니다, 프리델은 “그러나 우리는 ‘기술’이라고 부를 것을 찾을 수 없습니다.”라고 지적했습니다. 1차 세계대전이 끝난 후에야 알루미늄은 변형적인 사용을 발견했다. “살인자 앱은 비행기인데, 이 모든 것을 보고 가가를 할 때도 존재하지 않았습니다.”

몇몇 매우 선전된 발견들은 완전히 흐릿하다. 1986년 I. B.M. 연구원 게오르크 베드노르츠와 K. 알렉스 뮐러는 급진적으로 더 실용적인 초전도체 역할을 하는 도자기를 발견했다. 그 다음 해, 그들은 노벨상을 수상했고, 엄청난 낙관주의가 뒤따랐다. “미국을 선두로 내세우기 위해 대통령 위원회가 함께 던져졌다”고 휴스턴에 있는 라이스 대학의 과학사 교수인 사이러스 모디는 말한다. “사람들은 앞으로 2년 안에 떠다니는 기차와 무한한 송전선에 대해 이야기하고 있었습니다.” 그러나 30년간의 투쟁 끝에 거의 아무도 부서지기 쉬운 도자기를 일상적인 사용에서 살아남을 수 있는 물질로 만들지 못했다.



프리델은 “더 혁신적일수록 더 금욕을 깨는 혁신일수록 우리가 실제로 무엇을 위해 사용될지 알아낼 가능성이 낮다”는 광범위한 공리를 제시했다. 지금까지 그래핀을 접목한 소비재는 테니스 라켓과 잉크가 유일하다. 그러나 많은 과학자들은 그것의 특이한 특성이 결국 돌파구로 이어질 것이라고 주장한다. 게임에 따르면 돈과 연구자들의 유입은 일반적인 타임라인을 실제 사용으로 앞당겼다. “우리는 광학 현미경에서도 거의 볼 수 없는 서브마이크론 조각으로 시작했습니다,”라고 그는 말한다. “저는 2009년이 되면, 2010년이 되면 사람들이 이미 이 물질을 평방미터로 만들 것이라고 상상하지 못했습니다. 매우 빠른 진전입니다.” 그는 “누군가 금광이 있다는 것을 보고는 매우 무거운 장비가 많은 다른 연구 분야에서 적용되기 시작한다”고 덧붙인다. 사람들이 생각할 때, 우리는 꽤 독창적인 동물입니다.”

국내 전자기업 대기업 삼성이 그래핀 특허를 가장 많이 보유하고 있지만 최근 들어 기업이 아닌 연구기관이 가장 활발하게 활동하고 있다. 삼성과 함께 일하는 한국 대학이 교육기관 중 1위다. 두 개의 중국 대학이 두 번째와 세 번째 자리를 차지하고 있다. 4위는 지난 2년 동안 33건의 특허를 출원한 라이스대학으로 제임스 투어라는 교수가 운영하는 실험실에서 거의 전부다.

55세의 투어는 합성 유기 화학자이지만, 그의 광범위한 성격과 기업가적 브리오는 그를 회사의 수익성 있는 R. & D. 부서를 감독하는 임원처럼 보이게 한다. 체육관이 꽉 찬 몸을 가진 짧고 어두운 눈의 남자, 그는 최근 그의 사무실인 라이스의 델 도살자 건물에 있는 그를 방문했을 때 저를 화기애애하게 맞이했습니다. “그것들은 정말 놀랍습니다!” 그는 그래핀에 대해 말했습니다. “이런 일이 어떻게 할 수 있는지 믿을 수 없어!” 대부분의 고위 과학자들과 마찬가지로 여행은 연구와 상업 모두에 관심을 가져야 한다. 그는 연방 예산 삭감을 과학에 경고하기 위해 의회에 두 번 나타났고, 그의 실험실은 산업과의 공격적인 파트너십을 통해 자금을 확보했기 때문에 가까스로 번창했다고 말한다. 그는 매년 20만 5만 달러로 계약하는 각 사업을 청구한다; 그의 실험실 그물은 절반이 조금 넘으며, 그 결과 그는 두 명의 학생 연구원을 고용하고 1년 동안 그들의 자료를 지불할 수 있다. 투어의 많은 작품은 그 연구자들(그 중 25명은 그래핀에 전념하고 있다)의 창의성에 박차를 가하는 것을 포함한다; 그들은 투어가 판매하는 발명품을 고안하는 사람들이다. 그래핀은 호재였다고 그는 말했다: “당신은 이 지역으로 많은 사람들이 이사하고 있습니다.“ 학계뿐만 아니라 삼성과 같은 대형 전자회사에서부터 석유회사에 이르기까지 큰 방식으로 기업들입니다.”



여행은 노력에 특별한 에너지를 가져다 준다. 화이트 플레인스의 세속적인 유대인 가정에서 자란 그는 시러큐스 대학의 1학년 때 다시 태어난 기독교인이 되었다. 네 명의 다 자란 아이들과 결혼한 그는 매일 아침 세시 40분에 일어나 1시간 반 동안 기도와 성경 공부가 이어졌고, 일주일에 몇 번, 체육관에서 운동을 하며, 그리고 6시 15분에 사무실에 도착한다. 2001년 지적 설계를 추진한 청원서인 ‘다윈주의로부터의 과학적 반대’에 서명해 화제가 됐지만, 이는 분자 차원에서 무작위 돌연변이가 어떻게 발생하는지에 대한 개인적인 의심만 반영했다고 주장한다. 비록 그는 “신의 축복”으로 이메일을 끝내지만, 그는 신성한 지도를 기도하는 습관과는 별개로, 그는 종교가 그의 과학 작품에 아무런 역할을 하지 않는다고 느낀다고 말한다.

투어는 그의 학생들의 연구에 산발적인 접근을 지지한다. “우리는 울타리를 향해 흔들리는 한 우리의 환상에 맞는 모든 것을 작업합니다,”라고 그는 말했다. 화학자로서, 그는 특히 빠른 실험에 적합하며, 그 중 많은 것들이 몇 달이 걸릴 수 있는 물리학자들과는 달리 몇 시간 동안 결과를 얻을 수 있다고 언급했다. 그의 연구소는 오스틴에 있는 텍사스 대학의 한 연구소에 이어 두 번째로 그래핀에 관한 11개의 저널 기사를 출판했고, 그의 연구원들은 미국 특허청에 임시 신청을 하기 위해 빠르게 움직이며, 그들은 완전한 청구를 하기 전에 1년 동안 아이디어에 대한 법적 소유권을 부여한다. “우리는 파일을 제출하기 훨씬 전에 기다리지 않습니다,”라고 투어는 말했다; 그는 학생들에게 48시간도 안 되는 시간에 그들의 작품을 써달라고 촉구한다. “저는 방금 중국을 5일 차이로 이긴 우리 기술 중 하나를 허가한 회사로부터 들었습니다.”

그의 실험실의 최근 발명품들 중 많은 것들이 산업에 의한 즉각적인 착취를 위해 고안되어 있으며, 더 야심찬 일을 지원하기 위한 자금을 공급하고 있다. 투어는 헬리콥터 블레이드에서 얼음을 제거하는 데 도움이 될 수 있는 그래핀이 주입된 페인트, 오일 드릴의 효율을 높이기 위한 유체, 비행기에서 사용되는 부풀릴 수 있는 슬라이드와 생명 목을 만들기 위한 그래핀 기반 재료에 대한 특허를 팔았다. 그는 그래핀이 완전히 가스에 불투과할 수 없는 유일한 물질이지만 무게는 거의 없다; 더 가벼운 목과 슬라이드는 연간 수백만 달러 상당의 연료를 절약할 수 있다고 지적한다.



투어의 실험실에서는 촘촘하게 구성된 작업 테이블이 있는 크고 천장이 높은 방, 흰색 실험실 코트와 안전 고글을 입은 젊은 남성들의 점수가 작동하고 있었다. 투어와 나는 앤티가의 대학원생인 로이크 새뮤얼스가 그래핀을 기반으로 한 겔을 한 묶음으로 척수 부상을 위한 발판에 사용하던 벤치에 들렀다. 사무엘스는 “비기능적인 비계 물질을 가지고 있는 대신, 당신은 실제로 전기적으로 전도성이 있는 것을 가지고 있습니다,”라고 주얼러의 목욕탕에서 시험관을 소용돌이쳤습니다. “이것은 전기적으로 의사소통하는 신경 세포가 서로 연결되도록 도와줍니다.” 투어에서는 등다리가 마비된 실험실 쥐들의 영상을 보여줬다. 한 영상에서 두 마리의 쥐가 우리 밑부분을 따라 몸을 잡아 뒷다리를 끌고 갔다. 또 다른 비디오에서, 치료를 받은 쥐들의 모습은 정상적으로 걸었습니다. 투어는 F. D.A.가 인간 실험을 승인하기까지는 몇 년이 걸린다고 경고했다. “하지만 그것은 놀라운 시작입니다,”라고 그는 말했다.

2010년, 투르의 연구자 중 한 명인 모스크바 주립 대학에서 공부했던 러시아인 알렉산더 슬레사레프는 산소와 수소 분자가 그것에 결합될 때 만들어진 그래핀의 형태인 그래핀 산화물이 방사성 물질을 끌어들일 수도 있다고 제안했습니다. 슬레사레프는 모스크바 주의 전 동료에게 샘플을 보냈고, 그곳에서 학생들은 핵 물질이 포함된 용액에 분말을 넣었다. 그들은 그래핀 산화물이 방사성 원소와 결합하여 쉽게 퍼질 수 있는 슬러지를 형성한다는 것을 발견했다. 얼마 지나지 않아 일본의 지진과 쓰나미는 엄청난 핵물질 유출을 일으켰고, 투르는 일본으로 날아가 이 기술을 일본에 알렸다. “우리는 지금 후쿠시마에 그것을 배치하고 있습니다,”라고 그는 말했습니다.

벤치에서 일하는 사람은 둥글고 열린 얼굴을 가진 젊은이였다: 루취안 예라는 25세의 박사과정 학생은 작년에 의학 영상과 플라즈마 텔레비전 스크린에 사용되는 양자점, 형광이 강한 나노입자를 만드는 새로운 방법을 고안했다. 보통 셀레니드 카드과 비산화 인과 같은 독성 화학 물질로 작은 양으로 만들어진 양자점은 1kg짜리 병에 100만 달러가 든다. Ye의 기술은 석탄에서 유래된 그래핀을 사용하는데, 그것은 1톤당 100달러이다.



“방법은 간단합니다,”라고 예가 말했습니다. 그는 나에게 고운 검은 가루로 가득 찬 바이알을 보여주었습니다: 그가 갈아서 만든 무연탄. “저는 이것을 하루 동안 산 용액에 넣고, 그 용액을 뜨거운 판에 데워주세요.” 과정을 수정해 물질이 다양한 광주파를 방출하도록 만들어 종양의 분화된 태깅을 위해 다양한 색의 점들을 만들 수 있다. 석탄을 기반으로 한 점들은 인체와 양립할 수 있습니다. 석탄은 탄소이고, 우리는 예의 점들이 전세계 병원에서 사용되는 매우 독성이 강한 점들을 대체할 수 있다는 것을 암시합니다. 실험실 옆 어두운 방에서 그는 맑은 액체의 작은 바이알에 검은 빛을 비추었다. 그들은 빛나는 잉곳으로 형광을 흘렸습니다: 빨강, 파랑, 노랑, 보라색.

투어는 보통 그의 실험실에서 발견된 것에 대한 공로를 인정받기 위해 거절한다. “모든 학생들이야,”라고 그는 말했다. “그들은 시냅스가 막 발사되고 있을 때, 20대인 그 나이입니다. 제 일은 그들에게 영감을 주고 신용카드를 제공하고 토끼 구멍에서 그들을 멀리하도록 안내하는 것입니다.” 그러나 그는 양자점 아이디어가 그에게서 비롯되었다는 것을 인정했다: “어느 날, 나는 “우리는 석탄에 있는 것을 알아야 한다.“ 사람들은 이것을 5천 년 동안 사용해 왔다. 그 안에 있는 것이 무엇인지 봅시다. 그래핀의 작은 영역이라고 할 텐데, 확실히, 그것은 그랬습니다. 바로 거기에 앉아 있었어요. 25%의 수확량입니다. 그리고 기억하세요, 1kg당 100만 달러입니다!”

투어는 그의 실험실 매니저인 폴 체루쿠리에게 눈을 돌리고 “언젠간 부자가 될 거 아닙니까?”라고 말했다. 체루쿠리가 웃으면서 투어는 “이곳에 들어와 매일 돈을 세겠다”고 덧붙였다.

아마도 게임과 노보셀로프의 2004년 논문에 기술된 가장 감질나는 속성은 전자 정보가 그래핀의 표면을 가로질러 흐를 수 있는 “모빌리티”였을 것이다. “우리 컴퓨터의 느린 단계는 A점에서 B점으로 정보를 이동시키고 있습니다,”라고 투어는 나에게 말했습니다. “이제 실리콘 전자 장치에서 가장 큰 장애물인 느린 단계를 밟았고, 새로운 재료를 소개했습니다. 붐! 갑자기 속도가 10배가 아니라 100배가 더 빨라지고 있습니다.”

이 소식은 1965년 인텔의 공동 창업자인 고든 무어가 고안한 무어의 법칙을 따라가기 위해 고군분투하던 반도체 산업을 자극했다. 2년마다 그는 컴퓨터 칩의 밀도, 따라서 효과는 두 배가 될 것이라고 예측했다. 50년 동안, 엔지니어들은 소형화를 통해 무어의 법칙에 보조를 맞추는데 성공했고, 손톱 크기의 실리콘 웨이퍼에 무려 40억 개의 트랜지스터를 칩에 포장했습니다. 기술자들은 실리콘을 “도핑”함으로써 컴퓨터를 더 빠르게 만들었다: 격자를 더 꽉 쥐기 위해 다른 원소들의 원자를 도입한다. 하지만 한계가 있습니다. 칩을 너무 많이 숙여서 트랜지스터를 너무 가까이 움직이고 실리콘은 작동을 멈추게 한다. 이르면 2017년 실리콘 칩은 더 이상 무어의 법칙에 보조를 맞추지 못할 수도 있다. 그래핀은 효과가 있다면 해결책을 제공한다.


“5분 더 가면 나는 올 네, 제미니다.”


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하지만 문제가 있습니다. 실리콘과 같은 반도체는 전기장이 있는 상태에서 켜고 끌 수 있는 능력에 의해 정의된다; 논리 칩에서 스위칭 프로세스는 컴퓨터의 언어인 것과 0을 생성한다. 반금속인 그래핀은 끌 수 없다. 처음에, 엔지니어들은 반도체가 스위치 역할을 할 수 있는 전기 특성인 “밴드 갭”을 열기 위해 그래핀을 도핑할 수 있다고 믿었다. 그러나 게임과 노보셀로프의 논문이 나온 지 10년이 지난 후, 아무도 충분히 큰 틈을 열지 못했다. “너무 많이 바꿔야 그래핀이 아닐 것”이라고 투어는 말했다. 실제로 이런 틈새를 만들어낸 사람들은 그것이 이동성을 죽인다는 것을 알게 되어 그래핀을 지금 사용하는 재료보다 더 나지 않게 만들었다. 그 결과는 반도체 기업들의 분위기가 어느 정도 위축된 것이었다.

최근 실리콘 반도체 칩의 주요 제조업체인 I. B.M.의 주요 R. & D. 연구소인 Thomas J. Watson Research Center를 방문했다. 뉴욕시에서 북쪽으로 30분 거리에 있는 이 센터는 1961년 에로 사리넨이 설계한 건물에 수용되어 있다. 정면 차양이 솟은 광활한 유리 아크로, 미래를 예측하기 어려운 일종의 기념물이다. Saarinen은 변화적인 아이디어가 리클라이너와 커피 테이블이 여전히 치솟는 창문 옆에 앉아 있는 회의 지역에서 일하는 과학자들의 집단에서 나올 것이라고 상상했다. 대신, 과학자들은 사무실의 컴퓨터 스크린을 뒤덮고 하루의 많은 시간을 보낸다: 작고 창문이 없는 굴들, 이것은 사후 생각으로 만들어진 것으로 보인다.

비좁은 한 사무실에서, 나는 I. B.M.의 물리 과학 책임자이자 전세계 연구를 위한 회사의 전략을 세운 수프라틱 구하를 만났다. 투어가 활기차듯 정밀하게 절제된 사려 깊은 한 남자 구하는 그래핀을 실리콘의 대체품으로 둘러싸는 ‘과도한 과대 선전’을 한탄하며 밴드 공백을 도입하려는 노력이 기껏해야 ‘한 가지 큰 혁신이 멀리 떨어진다’는 점에 대해 애절하게 이야기했다. 그는 서둘러 I. B.M.이 그래핀을 지 않았다고 덧붙였다. 2014년 초, 이 회사는 연구진이 무선 장치를 위한 최초의 그래핀 기반 집적 회로를 구축했고, 이것은 더 저렴하고 효율적인 휴대폰으로 이어질 수 있다고 발표했다. 그러나 그래핀을 실리콘의 대체품으로 만들기 위한 탐구에서 구하는 그들이 거의 희망을 가지고 있지 않다고 인정한다.

일단, I. B.M.의 초점은 투어의 멘토이자 전신인 릭 스몰리가 라이스에서 개발한 단일 벽의 탄소 나노튜브로 남아 있습니다. 80년대에 스몰리와 그의 동료들은 탄소 원자의 분자들이 다양한 모양으로 배열된다는 것을 발견했다; 어떤 것들은 (벅민스터 풀러의 측지 돔과 유사하다는 이유로 “버키볼”이라고 불리는) 구였고 다른 것들은 튜브였다. 연구진이 튜브가 반도체 역할을 할 수 있다는 사실을 발견했을 때, 물질은 즉시 실리콘의 잠재적 대체재로 제시됐다. 스몰리는 협력자들과 함께 1996년 노벨 화학상을 수상했고, 라이스를 설득해 투어가 나중에 인수한 수백만 달러 규모의 나노기술 센터를 지었다. 그러나 탄소 나노튜브는 쉬운 착취에 저항해 왔다. 그들은 필요한 밴드 간격을 가지고 있지만, 그것들과 함께 칩을 만드는 것은 수십억 개의 작은 물체들을 정확한 위치로 조종하는 것을 수반한다. 이것은 거의 20년 동안 비빌드 과학자들을 괴롭혔던 어려움이다. 그가 탄소나노튜브에 대한 관심을 잃었다는 것을 인정하지 않고, 투어는 나에게 “정말 잘 상용화된 적이 없다”고 말했다.



10년 이상의 연구와 수천만 달러를 재료에 투자한 I. B.M.에서는 패배를 인정하는 것을 꺼리는 것이 크다. 구하는 I. B.M.의 탄소-나노튜브 연구 프로그램을 이끄는 것을 돕는 조지 툴레프스키에게 나를 소개했다. 그래핀을 언급했을 때, 그는 한 개의 고집력 있는 기술에 거의 10년을 바쳤지만 매력적인 새로운 기술에 대해 들은 과학자가 기대할 수 있는 방어성을 보여주었다. “장치들은 켜고 끌어야 합니다,”라고 툴레프스키는 말했다. “만약 그것이 꺼지지 않는다면, 그것은 너무 많은 전력을 소비합니다. 그래핀을 끌 방법이 없습니다. 그래서 그 전자들은 매우 빠르게 가고 있고, 그것은 훌륭합니다. 하지만 장치를 끌 수는 없습니다.”

역사가 사이러스 모디는 똑같이 조심스럽다. “이런 생각은 이론적으로 기존의 실리콘보다 훨씬 빠르고 빠른 미세 전자 공학의 형태가 있다는 것입니다,”라고 그는 말했다. 그는 조셉슨-접합 회로의 전례를 지적한다. 1962년, 영국의 물리학자 브라이언 데이비드 조셉슨은 전기가 “약한 링크” 물질로 분리된 두 개의 초전도체로 구성된 회로를 통해 전례 없는 속도로 흐를 것이라고 예측했다. 그 통찰력은 노벨 물리학상을 수상하게 했고, 기하급수적으로 더 빠른 전자 공학을 꿈꿨다.

“많은 사람들이 우리가 곧 초전도 조셉슨-접합 미세 전자 공학으로 전환할 것이라고 생각했습니다,”라고 모디는 말했다. “그러나 실제로 제비 및 제비 및 많은 논리 게이트를 가진 복잡한 회로를 제조하고, 매우 큰 수율로 제비 및 제비 회로를 만들 때, 제조 문제는 계속 가는 것을 불가능하게 합니다. 그래핀에 대해 이야기할 때 사람들이 충분히 고려하지 않은 장애물이 될 것이라고 생각합니다.”

그러나 다른 과학자들은 그 장애물이 그래핀의 물리적 특성이 아니라고 주장한다. “반도체 산업은 밴드 갭을 도입하는 방법을 알고 있습니다,” 호주의 영연방 과학 산업 연구 기구를 이끄는 이론 물리학자 아만다 바너드가 말했습니다. 문제는 사업이다: “우리는 실리콘으로 수조 달러의 주문에 대한 글로벌 투자를 받았고, 우리는 그것을 떠나지 않을 것입니다. 처음에 그래핀은 실리콘으로 작업해야 합니다. 기존 공장과 생산 라인 및 연구 능력에서 작업해야 하며, 그 다음에는 약간의 탄력을 받을 것입니다.”

투어는 그래핀에 대한 반도체 산업의 실망에 대해 거의 공감하지 않는다. “I. B.M.은 모두 독신이기 때문에 당황하고 있습니다,”라고 그는 말했다. “그들은 컴퓨터를 만들어야 합니다. 그리고 그들은 무어의 법을 가지고 있습니다. 하지만 그건 그들만의 잘못이야! 18개월마다 실적이 두 배로 늘어나는 등 다른 업계가 도전한 것은 무엇인가? 화학 산업에서, 만약 우리가 1년 안에 1퍼센트의 높은 수확량을 얻을 수 있다면, 우리는 우리가 꽤 잘했다고 생각합니다.”

아마도 이 물질의 잠재력에 대해 가장 광범위한 사상가는 M. I.T.에서 그래핀 장치와 2D 시스템 센터를 운영하는 스페인의 과학자 토마스 팔라시오스일 것이다. 투르의 실험실이 대부분 그러하듯이 기존의 응용 프로그램을 개선하기 위해 그래핀을 사용하기 보다는 팔라시오스는 미래 세계를 위한 장치를 구축하려고 노력하고 있다.

36세에, 팔라시오스는 학부생의 갈대 체격과 거칠게 야심찬 개념들을 그럴듯하게 보이게 하는 부드러운 말 방식을 가지고 있다. 전기 기술자로서, 그는 “유비쿼터스 전자”를 열망하며, 우리 생활에서 전자 장치의 수를 “100배” 증가시킨다. 그의 실험실 관점에서 창문부터 커피컵, 종이화폐, 신발 등 모든 물체에 에너지 수확기, 센서, 발광다이오드 등이 내장돼 정보를 저렴하게 수집해 전송할 수 있다면 세계는 크게 강화될 것이다. “기본적으로 우리 주변의 모든 것이 수요에 따른 전시로 전환할 수 있을 것입니다,”라고 그는 최근 그를 방문했을 때 말했습니다. 팔라시오스는 그래핀이 이 모든 것을 가능하게 할 수 있다고 말한다; 그러나, 먼저, 그것은 커피 컵과 신발에 통합되어야 한다.



모디가 지적한 대로 급진적 혁신은 적절한 환경을 기다려야 하는 경우가 많다. 그는 “그것은 파괴적인 기술에 관한 것이 아니라 일련의 기술들 사이의 연결이 많은 관행을 바꾸는 것이 실현 가능한 지점에 도달하는 순간들에 관한 것입니다”라고 말했다. “스팀 엔진은 정말 파괴적이 되기 전 거의 오랜 시간이었습니다. 경제의 다른 부분, 증기 엔진과 연계된 다른 기술들이 더 효율적이고 바람직하게 만드는 변화였다.”

팔라시오스에게 있어 중요한 기술 보완은 3-D 인쇄의 발전이다. 그의 실험실에서, 4명의 학생들은 전기 “지능”이 내장된 그래핀 기반 물체를 만들 수 있는 프린터의 초기 원형을 개발하고 있었다. 잉크젯 프린트 헤드를 제조하는 회사인 STMicrolectronics의 과학자인 Marco de Fazio와 함께, 그들은 거울이 있는 베이스에 있는 팅커토이 장비처럼 보이는 작고 반쯤 만들어진 장치 주위에 뭉쳐 있었다. “우리는 2주 전에 프린터를 받았습니다,”라고 조랑말 달인의 학생인 매디 어비는 말했다. “키트와 함께 왔습니다. 우리는 모든 전자제품을 추가해야 합니다.” 그녀는 테이블 위에 누운 노즐을 가리켰다. “이것은 이제 플라스틱을 쏘지만 마르코는 그래핀과 다른 종류의 잉크를 인쇄할 이 인쇄 헤드를 우리에게 주었습니다.”

그 그룹의 멤버들은 그래핀을 그들이 인쇄하는 물체에 통합하는 방법을 고민하고 있었다. 그들은 물질을 플라스틱으로 섞거나 단순히 기존의 물체의 표면에 인쇄할 수 있다. 여전히 만만치 않은 장애물들이 있었다. 연구원들은 그래핀을 액체로 바꾸는 방법을 알아냈는데, 이것은 물질이 심각한 소수성이기 때문에 그것이 뭉쳐 인쇄된 머리를 막는다는 것을 의미하기 때문이다. 그들은 먼저 그래핀을 그래핀 산화물로 변환하여 산소와 수소 분자의 그룹을 추가해야 했지만, 이 과정은 그것의 전기적 특성을 부정한다. 그래서 일단 그들이 그 물체를 인쇄하면 레이저로 가열해야 할 것이다. “열면,” 아비는 “그 그룹들을 불태워 그래핀으로 다시 줄입니다.”라고 말했습니다.



그것이 가능할 수도 있을 때 불확실했다; 그녀는 그 장치가 3개월 안에 작동하기를 희망했다. “레이저는 힘의 더 많은 승인이 필요합니다,”라고 그녀는 프린터의 미러드 베이스를 균형 있게 내면서, 방 전체에서 레이저 빔을 튀기기에 완벽한 종류의 것입니다. 데 파지오는 실리콘 웨이퍼로 덮을 것을 제안했다.

“그것은 효과가 있을 수 있습니다,”라고 아비는 말했다.


“물론, 이것은 또한 당신이 아프기를 바라는 저의 확인 편향일 수 있습니다.”
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팔라시오스는 밀레니얼 세대의 변화는 겸손하고 전략적인 증가 후에야 일어난다는 것을 인식한다. 업계 루머에 따르면 그래핀을 채용한 스크린으로 첫 기기를 출시할 예정인 삼성을 언급했다. “그래핀은 작은 부품일 뿐이며, 전류를 디스플레이로 전달하는 데 사용됩니다,”라고 그는 말했다. “하지만 그것은 흥미로운 첫 번째 애플리케이션입니다. 그것은 우리가 모두 기대하고 있는 돌파구가 될 필요가 없습니다. 그래핀을 모든 사람들의 초점에 맞추는 것은 좋은 방법이며, 그렇게 해서 더 많은 투자를 정당화할 수 있습니다.” 그동안 그의 제자 중 한 명인 릴리유는 유연한 화면의 원형을 작업해왔다.

팔라시오스는 사무실에서 그의 가장 야심찬 목표는 “그래핀 종이접기”라고 말했는데, 이 종이접기는 생물 세포 안의 작은 구조인 소기관을 모방하기 위해 물질의 시트를 접는다. “염색체를 만들기 위해 여러 번 접히는 1차원 구조인 DNA와 자연이 하는 것과 다르지 않습니다.” 방법이 작동하면 엄청난 양의 컴퓨팅 파워를 작은 공간으로 포장하는 데 사용될 수 있다. 그는 "의학에 응용이 있을 수 있고, 그가 스마트 먼지라고 부르는 것에서, “먼지 입자만큼 작지만 대기 중의 오염에 대해 우리에게 알려주는 기능을 가지고 있거나, 아니면 근처에 독감 바이러스가 있다면. 이런 것들은 여러분의 전화기나 곳곳에 있는 내장된 디스플레이에 연결되어 여러분 주위에서 일어나는 일들을 말할 수 있을 것입니다.”

현재로서는, 도전들이 더 지구적으로 이루어져 있다: 과학자들은 여전히 그래핀을 규모의 생산하기 위한 비용 효율적인 방법을 고안하려고 노력하고 있다. 삼성과 같은 회사들은 텍사스 대학에서 개척한 방법을 사용하는데, 그들은 낮은 진공에서 동박을 1,800도 화씨로 가열하고, 그래핀을 창가에 있는 서리 결정 “성장”과 같은 동 양쪽의 원자 두께 시트로 “성장”하게 만드는 메탄 가스를 도입한다. 그리고 나서 그들은 구리를 식각하기 위해 산을 사용합니다. 결과적인 그래핀은 육안으로는 보이지 않고 미세 전자 공학을 위해 고안된 기구 외에는 터치하기에는 너무 연약하다. 그 과정은 느리고, 정확하며, 가장 큰 회사들을 제외한 모든 회사들이 감당하기에는 너무 비싸다.

투어의 실험실에서, 26세의 Zhiwei Peng라는 이름의 포스트닥이 그가 제출한 논문의 최종 검토자로부터 듣기를 기다리고 있었는데, 그 논문에서 그는 과열도 없고 진공도 없고 가스도 없는 그래핀을 만드는 방법을 상세히 설명했다. (그 논문은 나중에 출판 승인을 받았다.) 펭은 몇 달 전에 그의 방법을 우연히 발견했다. 레이저로 그래핀 산화물을 가열하던 중 샘플을 놓쳤고, 폴리이미드 플라스틱 시트인 자신이 앉아 있던 물질을 우연히 가열했다. 레이저가 플라스틱에 닿은 곳에서는 검은색 잔기가 남았습니다. 그는 잔기가 그래핀의 층으로, 산소 분자와 느슨하게 결합되어 있다는 것을 발견했는데, 이것은 게임의 테이프에 있는 잔기와 마찬가지로 단일 원자 시트로 쉽게 박리될 수 있다. 그는 그것이 어떻게 작동했는지를 보여주었고, 레이저는 폴리이미드 조각의 표면을 왔다 갔다 하고 각각의 패스와 함께 재료의 바늘 박막 침착물을 가지고 떠났다. 그래핀의 단일 층은 사용 가능한 빛의 2.5 퍼센트를 흡수합니다; 층이 쌓이면 그들은 검은색으로 보이기 시작합니다. 몇 분 후, 펭은 바삭하고 무광이 도는 검은 격자를 생산했는데, 아마도 폭이 1인치이고 수만 달러 상당일 것이다. 투어의 실험실 매니저인 체루쿠리는 그것을 가리키며 “그것은 는 경주

기술 연구 회사인 가트너는 어떤 발견이 돈을 벌지 투자자들이 결정하도록 돕기 위해 하이프 사이클이라고 부르는 분석 도구를 사용한다. 사이클의 그래프는 기술 트리거에서 발견이 시작되고, 인플레이트 기대의 봉우리로 빠르게 올라가 환멸의 기압골에 빠지고, 실제적인 용도가 발견됨에 따라 점차 생산성 고원으로 올라가는 필기체 소문자 “r”과 유사하다. 대부분의 발견이 예상대로 행동하지 않는다는 암시는 (또는 뿐만 아니라) 아니다; 그것은 홍보가 사라진 후 언젠가 새로운 것이 전형적으로 유용해진다는 것이다.

제가 말한 거의 모든 과학자는 그래핀이 특히 과대 선전을 잘 할애한다고 제안했습니다. “이것은 전기 장치를 사랑하는 시기에 전기적으로 유용한 재료입니다,”라고 아만다 바너드가 말했습니다. “만약 우리가 전자 장치에 그렇게 관심이 없었던 시기에 그것이 일어났다면, 과대 선전은 그렇게 불균형적이지 않았을 수도 있습니다. 그러나 투자에 대한 욕구는 같지 않았을 것입니다.” 실제로 듀크 대학의 교수이자 “엔지니어는 인간이다”의 저자인 헨리 페트로스키는 개발 달러를 끌어들이기 위해서는 과대 선전이 필요하다고 말한다. 그러나 그는 중요한 단서를 제시한다: “발견 단계에서 너무 많은 과대 선전이 있고 제품이 과대 선전에 부응하지 않는다면, 그것은 결국 실망스럽고 버려진 한 가지 방법입니다.”

구하는 I. B.M.에서 나노 기술 분야가 과매로 팔렸다고 믿는다. “아무도 나쁜 소식을 전해서 혜택을 볼 수 없습니다,”라고 그는 나에게 말했습니다. “과학자는 좋은 소식을 전하고 싶어하고, 기자는 좋은 소식을 전하고 싶어합니다. 시스템에 대한 피드백 통제는 없습니다. 기술을 개발하기 위해서는 들어가야 할 학문이 많고, 섹시하지 않은 일을 해야 할 일이 많다고 말했다

투어는 동의하고, 어떤 공모를 인정한다. “사람들은 우리에게 비현실적인 시간선을 내세워요,”라고 그는 나에게 말했다. “우리 과학자들은 그것을 먹이는 경향이 있습니다. 그리고 저는 그것에 대해 유죄입니다. 몇 년 전에 우리는 분자 전자 장치를 만들고 있었다. 더 타임스 전화해서 기자가 물었습니다. “이것들은 언제 준비될 수 있을까?” 저는 “2년”이라고 말했습니다. 그리고 그것은 넌센스.그냥 너무 흥분했어요.”



상업적 개발에 대한 명백한 어려움을 간과하려는 충동은 과학적 연구의 고유이다. 결국 가임의 논문은 밴드 갭 문제를 언급했다. “사람들은 그래핀이 갭이 없는 반도체라는 것을 알고 있었다”고 그래핀 전문 M. I.T. 과학자인 아미라산 누르바흐시가 말했다. “그러나 그래핀은 매우 높은 이동성을 보이고 있었고 반도체 기술의 이동성은 매우 중요합니다. 사람들은 그냥 눈을 감았어요.”

역사가 프리델에 따르면 과학자들은 명백한 장애물을 극복할 수 있다는 완고한 확신에 의존한다. “많은 좋은 연구가 관여해야 한다는 불신의 정도가 있습니다,”라고 그는 말했다. “예술의 일부, 그리고 예술은 단지 불신의 중단, 적어도 순간적으로, 그리고 그것이 단지 순전한 환상일 때를 즐겁게 하는 것이 말이 될 때를 아는 것에서 비롯된다.” 대서양 해저에 전신 케이블을 설치한 것으로 유명한 켈빈 경은 분명히 장애물을 내려다볼 수 있었다. 하지만 항상은 아니죠. “죽기 전 1907년, 켈빈 경은 조심스럽게 공중보다 무거운 비행 기계는 결코 불가능할 것이라고 계산했습니다,”라고 프리델은 말한다. “그래서 우리는 항상 겸손해야 합니다. 자전거 정비사 몇 명이 함께 와서 우리가 잘못되었음을 증명할 수 있습니다.”

최근, 투어의 실험실에서 가장 흥미로운 프로젝트들 중 일부는 장애물에 부딪혔다. 자원회사 슐럼버거의 자회사와 함께 개발된 석유 시추에 사용되는 유체에 첨가제는 시추를 더 효율적으로 만들고 지면에 더 적은 쓰레기를 남기겠다고 약속했고, 대신에, 그것들을 사용하기 전에 분해된 물건들의 통을 사용하겠다고 약속했다. 팽창 가능한 슬라이드와 항공기용 목을 만들기 위해 투어의 그룹을 고용한 회사는 더 저렴한 실험실을 발견했다. (우리가 그것에 대해 철학적이었는데, 부분적으로는 그가 계약으로부터 여전히 돈을 받을 것이라는 것을 알았기 때문이다. “그들은 돌아와서 특허를 받아야 할 것입니다,”라고 그는 말했다. 후쿠시마-반응기 정화 기술은 일본의 과학자들이 분말을 작동시키지 못하자 교착상태에 빠졌고, 이 방법을 개발한 포스트닥은 그들을 도와줄 비자를 받지 못했다. “당신은 그것이 어떻게 이루어지는지 가르쳐야 합니다,”라고 투어는 말했다. “당신은 pH를 제대로 원합니다.”