재료 과학의 광범위한 의미를 인식하는 사람은 거의 없다. Applied Materials의 CTO인 Omkaram Nalamasu에 따르면 1980년대에 오늘날의 스마트폰을 제작하려면 약 1억 1천만 달러의 비용이 들고 거의 200kW의 에너지가 필요하며 기기의 높이는 14m가 될 것이라고 한다.

그것이 재료 발전의 힘이다. 재료 과학은 스마트 폰을 민주화하여 35억 명 이상의 사람들에게 이 기술을 제공했다.

그러나 장치와 회로를 훨씬 넘어서 재료 과학은 에너지, 미래 도시, 교통 및 의학 분야에서 수많은 혁신의 중심에 있다.

이름에서 알 수 있듯이 재료 과학은 새로운 재료의 발견과 개발에 전념하는 분야이다. 주기율표를 식료품 점으로 사용하고 물리학 법칙을 요리 책으로 사용하여 물리학과 화학의 산물이다.

그리고 오늘날 우리는 재료 과학 혁명의 한 가운데에 있다. 현재 진행되고 있는 가장 중요한 자료 발전에 대해 설명한다.

 

물질 게놈 이니셔티브

2011년 6월 카네기 멜론 대학교에서 오바마 대통령은 재료 과학의 혁신 속도를 두 배로 높이기 위해 오픈 소스 방법과 AI를 사용하려는 전국적인 노력인 Materials Genome Initiative를 발표했다.

오바마는 이러한 가속화가 미국의 글로벌 경쟁력에 중요하다고 생각했으며 청정에너지, 국가 안보 및 인간 복지에 대한 중요한 과제를 해결하는 열쇠를 쥐고 있었다. 그리고 그것은 효과가 있었다.

인공지능을 사용하여 수소, 붕소, 리튬, 탄소 등 수억 가지의 다양한 요소 조합을 매핑함으로써 이 이니셔티브는 과학자들이 주기율표로 일종의 즉흥 재즈를 연주할 수 있는 거대한 데이터베이스를 만들었다.

이 새로운 물리적 세계지도를 통해 과학자들은 그 어느 때보다 빠르게 요소를 결합하고 모든 종류의 새로운 요소를 만들 수 있다.

그리고 일련의 새로운 제작 도구가 이 프로세스를 더욱 증폭시켜 원자 규모를 포함하여 완전히 새로운 규모와 크기로 작업할 수 있도록 한다. 여기서 우리는 한 번에 한 원자씩 재료를 만들고 있다.

 

가장 큰 재료 과학 혁신

이러한 도구는 경량 차량용 탄소 섬유 복합재, 내구성이 더 뛰어난 제트 엔진을 위한 고급 합금 및 인간 관절을 대체하는 생체 재료에 사용되는 메타 물질을 만드는 데 도움이 되었다. 우리는 또한 에너지 저장 및 양자 컴퓨팅에서 획기적인 발전을 목격하고 있다.

로봇공학에서 새로운 재료는 인간형의 부드러운 로봇에 필요한 인공 근육을 만드는 데 도움을 준다. Westworld를 생각해보라.

지난 10년 동안의 주요 재료 과학 혁신에 대해 알아보겠다.

 

(1) 리튬 이온 배터리

오늘날 스마트 폰에서 자율주행차에 이르기까지 모든 것에 전력을 공급하는 리튬 이온 배터리는 1970년대에 처음 제안되었다. 1990년대까지 시장에 출시될 수 없었고 지난 몇 년간 성숙기에 이르지 못했다.

기하급수적인 기술인이 배터리는 30년 동안 가격이 하락하여 1990 년과 2010년 사이에 90%, 그 이후로 80% 하락했다. 동시에 용량이 11배 증가했다.

그러나 수요를 충족시키기에 충분한 양을 생산하는 것은 지속적인 문제였다. Tesla는 도전에 발을 내디뎠다. 네바다에 있는 회사의 기가 팩토리 중 하나가 연간 20기가 와트의 에너지 저장 장치를 생산하여 리튬 이온 배터리가 대규모로 생산되는 것을 처음으로 확인했다.

일론 머스크는 100개의 기가 팩토리가 전 세계의 에너지 수요를 저장할 수 있다고 예측한다. 다른 회사들도 이 기술을 통합하기 위해 빠르게 움직이고 있다. 르노는 Zoe 배터리를 기반으로 가정용 에너지 저장 장치를 구축하고 있으며 BMW의 500 i3 배터리 팩은 영국의 국가 에너지 그리드에 통합되고 있으며 Toyota, Nissan 및 Audi는 모두 파일럿 프로젝트를 발표했다.

리튬 이온 배터리는 재생 가능 에너지 저장에서 중요한 역할을 계속하여 태양열 및 풍력 에너지 가격을 낮추어 석탄 및 가솔린 가격과 경쟁하게 된다.

 

(2) 그래핀

일상적인 연필에서 발견되는 것과 동일한 흑연에서 추출된 그래핀은 원자 한 개 두께의 탄소 시트이다. 거의 무중력이지만 강철보다 200 배 더 강하다. 다른 알려진 물질보다 빠르게 전기를 전도하고 열을 발산하는 이 슈퍼 소재는 변형 응용 분야가 있다.

그래핀은 센서, 고성능 트랜지스터, 심지어 뉴런이 척수에서 통신하는 데 도움이 되는 젤까지 가능하게 한다. 많은 유연한 장치 화면, 약물 전달 시스템, 3D프린터, 태양 전지판 및 보호용 직물은 그래핀을 사용한다. 제조 비용이 감소함에 따라 이 소재는 모든 종류의 발전을 가속화할 수 있는 힘을 가지고 있다.

 

(3) 페로브스카이트

현재 평균 태양 전지판의 "변환 효율"(포집된 태양광이 전기로 전환될 수 있는 양을 측정하는 척도)은 와트 당 약 $3의 비용으로 약 20-22%를 이동한다.

빛에 민감한 결정이자 새로운 신소재 중 하나인 페로브스카이트는 그 변환 효율을 훨씬 더 높일 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 작년에 과학자들은 30% 효율이라는 새로운 세계 기록을 달성한 하이브리드 태양 전지에서 실리콘과 페로브스카이트를 결합했다.

그리고 페로브스카이트는 그 수치를 최대 66%까지 얻을 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

페로브스카이트를 구성하는 성분은 광범위하게 이용 가능하고 결합 비용이 저렴하다. 이 모든 요소는 무엇을 더할까? 모두를 위한 저렴한 태양 에너지이다.

 

나노 세계의 재료

나노 기술은 물질 과학의 바깥 쪽 가장자리로 물질 조작이 나노 크기로 작아지는 지점이다. 개미보다 백만 배, 적혈구보다 8,000배, DNA 가닥보다 2.5배 더 작다.

나노봇은 자신을 더 많이 생산하거나 원하는 것을 더 많이 생산하도록 지시할 수 있는 기계이다. 그리고 이것은 원자 규모에서 일어나기 때문에, 이 나노봇은 모든 종류의 물질 (토양, 물, 공기)을 원자 단위로 분해할 수 있으며 이제 이러한 원자재를 사용하여 거의 모든 것을 구성할 수 있다.

나노 제품은 현재 시장에 수많은 나노 제품과 함께 놀랍도록 빠르게 진행되고 있다.

다시는 옷을 접고 싶지 않은가? 직물에 나노 스케일 첨가제는 주름과 얼룩을 방지하는 데 도움이 된다.

창문이 없는가? 문제없다! 나노 필름은 창문을 자체 청소하고 반사 방지하며 전기를 전도할 수 있게 한다.

집에 태양열을 추가하고 싶은가? 태양에너지를 포착하는 나노 코팅이 있다.

나노 물질은 더 가벼운 자동차, 비행기, 야구 방망이, 헬멧, 자전거, 수하물, 전동 공구를 만든다. 목록은 계속된다.

하버드의 연구원들은 폭이 1mm 미만인 소형 배터리를 생산할 수 있는 나노 스케일 3D 프린터를 만들었다.

부피가 큰 VR 고글이 마음에 들지 않는다면 연구원들은 현재 나노 기술을 사용하여 오늘날의 스마트 폰보다 6배 높은 해상도의 스마트 콘택트 렌즈를 만들고 있다.

그리고 더 많은 것이 오고 있다. 현재 의학에서 약물 전달 나노봇은 암과 싸우는 데 특히 유용하다는 것이 입증되었다. 하버드의 한 생명 공학자가 최근 700테라 바이트의 데이터를 단일 그램의 DNA에 저장했기 때문에 컴퓨팅은 낯선 이야기이다.

환경 측면에서 과학자들은 대기에서 이산화탄소를 가져와 제조에 사용하기 위해 초강력 탄소 나노 섬유로 변환할 수 있다. 태양열로 전력을 공급하는 대규모로이를 수행할 수 있다면 사하라 사막의 10% 크기의 시스템이 대기의 CO2를 약 10년 안에 산업화 이전 수준으로 줄일 수 있다.

응용 프로그램은 끝이 없다. 그리고 빨리 오고 있다. 다음 10년 동안, 아주 작은 것의 영향은 아주 아주 커지게 된다.