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러더퍼드 후방 산란 분광법 표면 민감도
시료의 표면 구조는 여러 가지 방식으로 이상적인 상태와 달라질 수 있다. 첫 번째 원자층은 다음 층과의 거리가 변경될 수 있고(완화), 전체와 다른 2차원 구조를 가질 수 있으며(재구성), 또는 다른 물질이 표면에 흡착될 수 있다. 이러한 각 경우는 RBS로 검출될 수 있다. 예를 들어, 표면 재구성은 채널링이 발생해야 하는 방식으로 빔을 정렬하여 알려진 강도의 표면 피크만 검출되도록 함으로써 검출할 수 있다. 평소보다 높은 강도 또는 넓은 피크는 첫 번째 원자층이 아래 층을 차폐하는 데 실패하고 있음을 나타낸다. 즉, 표면이 재구성되었음을 나타낸다. 완화는 유사한 절차로 시료를 기울여 이온 빔이 첫 번째 층 원자가 대각선으로 후방 산란을 차폐해야 하는 각도로 입사하도록 선택함으로써 검출할 수 있다. 즉, 차폐 원자 아래에 있고 변위된 원자로부터의 후방 산란을 의미한다. 예상보다 높은 후방 산란 수율은 첫 번째 층이 두 번째 층에 대해 변위되거나 완화되었음을 나타낸다. 흡착 물질은 다른 구성에 의해 검출되어 예상 위치에 비해 표면 피크의 위치를 변경한다.
러더퍼드 후방 산란 분광법 표면 민감도
RBS는 또한 채널링된 표면 피크의 변화를 분석하여 벌크와는 다르게 표면에 영향을 미치는 과정을 측정하는 데 사용되었다. 이에 대한 잘 알려진 예는 Frenken, Maree, van der Veen에 의한 납 표면의 예비 용융 RBS 분석이다. Pb(110) 표면의 RBS 측정에서 저온에서 안정적인 잘 정의된 표면 피크가 벌크 용융 온도의 3분의 2를 넘어서면서 온도가 증가함에 따라 더 넓고 강해지는 것이 발견되었다. 피크는 온도가 용융 온도에 도달했을 때 벌크 높이와 너비에 도달했다. 깊은 원자가 입사 빔에 보이게 하는 표면의 무질서 증가가 표면의 예비 용융으로 해석되었으며, RBS 과정의 컴퓨터 시뮬레이션은 이론적 예비 용융 예측과 비교했을 때 유사한 결과를 생성했다.
RBS는 또한 주사전자현미경과 유사한 방식으로 표면을 가로질러 초점 이온 빔을 스캔하는 핵 현미경과 결합되었다. 이러한 종류의 응용 분야에서 후방 산란 신호의 에너지 분석은 표면에 대한 구성 정보를 제공하는 반면, 마이크로프로브 자체는 주기적인 표면 구조와 같은 특징을 조사하는 데 사용될 수 있다.
중성자 회절
중성자 회절(Neutron diffraction) 또는 탄성 중성자 산란은 재료의 원자 및 자기 구조를 결정하는 데 중성자 산란을 적용하는 것이다. 검사할 시료를 열 또는 냉 중성자선에 노출시켜 재료의 구조에 대한 정보를 제공하는 회절 패턴을 얻는다. 이 기술은 엑스선 회절과 유사하지만, 서로 다른 산란 특성으로 인해 중성자와 엑스선은 상호 보완적인 정보를 제공한다. 엑스선은 표면 분석에 적합하고, 싱크로트론 방사에서 나오는 강력한 엑스선은 얕은 깊이나 얇은 시료에 적합한 반면, 중성자는 높은 투과 깊이를 가지므로 벌크 시료에 적합하다.
중성자 회절 역사
1921년, 미국의 화학자이자 물리학자인 윌리엄 D. 하킨스는 원자 구조와 핵 반응을 연구하면서 "중성자"라는 용어를 도입했다. 그는 당시 실험적 증거는 없었지만 원자핵 내부에 중성 입자의 존재를 제안했다. 1932년, 영국의 물리학자 제임스 채드윅은 중성자의 존재를 실험적으로 증명했다. 그의 발견은 이 중성 아원자 입자의 존재를 확인했으며, 그는 1935년에 노벨 물리학상을 수상했다. 채드윅의 연구는 이전에 이렌과 프레데리크 졸리오퀴리의 연구에 영향을 받았는데, 이들은 설명되지 않은 중성 방사선을 감지했지만 이를 별개의 입자로 인식하지 못했다. 중성자는 양성자보다 질량이 크지만 전하가 없는 원자핵에 존재하는 아원자 입자이다.
1930년대에 엔리코 페르미와 동료들은 중성자 산란의 기초를 확립하는 이론적 기여를 했다. 페르미는 중성자가 원자핵과 상호 작용하는 방식을 이해하기 위한 프레임워크를 개발했다.
중성자 회절 역사
회절은 1936년에 폰 할반(von Halban)과 프라이스베르크(Preiswerk), 그리고 미첼(Mitchell)과 파워스(Powers) 두 그룹에 의해 처음 관찰되었다. 1944년, 아서 콤프턴 아래에서 엑스선 산란 박사 학위 연구 경험이 있던 어니스트 O. 월런은 새로 가동된 X-10 원자로의 열중성자를 결정학에 적용할 가능성을 인식했다. 클리포드 G. 셜과 합류하여 1940년대 내내 중성자 회절을 개발했다.
1945년에 어니스트 O. 월런은 오크리지의 흑연 원자로를 사용하여 중성자 회절 실험을 수행했다. 그는 곧이어 (1946년 6월) 클리포드 셜과 합류했으며, 그들은 함께 이 기술의 기본 원리를 확립하고 이를 많은 다른 재료에 성공적으로 적용하여 얼음의 구조 및 재료 내 자기 모멘트의 미세 배열과 같은 문제들을 해결했다. 이 업적으로 셜은 1994년 노벨 물리학상의 절반을 수상했다. (월런은 1984년에 사망했다.) (1994년 노벨 물리학상의 나머지 절반은 버트 브록하우스가 AECL의 초크 리버 시설에서 비탄성 산란 기술을 개발한 공로로 받았다. 여기에는 삼축 분광계의 발명도 포함된다.)
중성자 회절 역사
원자로 및 파쇄원과 같은 중성자원의 개발이 이루어졌다. 이는 고강도 중성자 빔을 가능하게 하여 고급 산란 실험을 수행할 수 있게 했다. 특히, 오크리지의 고플럭스 동위원소 원자로(HFIR)와 프랑스 그르노블의 라우에 랑주뱅 연구소(ILL)는 중성자 산란 연구의 핵심 기관으로 부상했다.
이 시기에는 재료 과학, 구조 및 거동의 다양한 측면을 탐구하기 위한 기술을 개발함으로써 중성자 산란 기술이 크게 발전했다.
소각 중성자 산란 (SANS): 재료의 대규모 구조적 특징을 조사하는 데 사용된다. 글래터(Glatter)와 크라트키(Kratky)의 연구는 이 방법의 발전에 기여했지만, 주로 엑스선을 위해 개발되었다.
비탄성 중성자 산란 (INS): 미시적 수준에서의 동적 과정에 대한 통찰력을 제공한다. 주로 원자 및 분자 운동을 조사하는 데 사용된다.
최근 발전은 향상된 소스, 정교한 탐지기 및 향상된 전산 기술에 중점을 둔다. 미국 SNS(스폴레이션 중성자원) 및 영국 ISIS 중성자 및 뮤온 소스에서 스폴레이션 소스가 개발되어 비행 시간 실험을 위한 펄스 중성자 빔을 생성할 수 있다. 또한 중성자 이미징 및 리플렉토메트리가 개발되었으며, 이는 표면, 계면 및 박막 구조를 분석하는 강력한 도구로 재료 특성에 대한 귀중한 통찰력을 제공한다.
중성자 회절 원리
중성자는 핵분열, 파쇄, 저에너지 핵 반응의 세 가지 주요 과정을 통해 생성된다.
연구용 원자로에서 핵분열은 우라늄-235 (235U)와 같은 핵분열성 핵이 중성자를 흡수하여 두 개의 작은 조각으로 분열될 때 발생한다. 이 과정은 추가 중성자와 함께 에너지를 방출한다. 평균적으로 각 핵분열 이벤트는 약 2.5개의 중성자를 생성한다. 하나의 중성자는 연쇄반응을 유지하는 데 필요하지만, 여분의 중성자는 다양한 실험 응용에 활용될 수 있다.
파쇄원에서는 고에너지 양성자(약 1 GeV)가 중금속 표적(예: 우라늄(U), 텅스텐(W), 탄탈럼(Ta), 납(Pb), 또는 수은(Hg))을 충돌시킨다. 이 상호 작용으로 인해 핵이 중성자를 방출한다. 양성자 상호 작용은 이벤트당 약 10~30개의 중성자를 생성하며, 대부분은 "증발 중성자"(~2 MeV)로 알려져 있고, 소수는 최대 GeV 범위의 에너지를 가진 "캐스케이드 중성자"로 식별된다. 파쇄는 중성자 생산에 매우 효율적인 기술이지만, 고에너지 입자를 생성하므로 안전을 위해 차폐가 필요하다.
중성자 회절 원리
저에너지 핵 반응은 가속기 구동 소스에서 중성자 생산의 기초이다. 선택된 표적 재료는 에너지 준위에 따라 달라진다. 리튬(Li) 및 베릴륨(Be)과 같은 가벼운 금속은 30 MeV 미만에서 최대 가능한 반응 속도를 달성하는 데 사용될 수 있는 반면, 텅스텐(W) 및 탄소(C)와 같은 무거운 원소는 312 MeV 이상에서 더 나은 성능을 제공한다. 이러한 소형 가속기 구동 중성자원(CANS)은 성숙하여 이제 핵분열 및 파쇄원의 성능에 근접하고 있다.
중성자 산란은 중성자의 파동-입자 이중성에 의존한다. 드브로이 관계는 중성자의 파장 (λ)을 그 에너지 (E)와 연결한다.

여기서 h는 플랑크 상수, p는 중성자의 운동량, m은 중성자의 질량, v는 중성자의 속도이다.
중성자 회절 산란
중성자 산란은 원자 간 거리를 감지하고 재료의 동역학을 연구하는 데 사용된다. 이는 탄성 산란과 비탄성 산란이라는 두 가지 주요 원리를 포함한다.
탄성 산란은 중성자가 산란되는 각도를 관찰하여 재료의 구조적 특성에 대한 통찰력을 제공한다. 결과적으로 나타나는 산란 패턴은 결정, 액체 및 비정질 재료의 원자 구조에 대한 정보를 제공한다.
비탄성 산란은 상호 작용 중 중성자 에너지 및 운동량 변화 연구를 통해 재료 동역학에 중점을 둔다. 이는 고체 재료의 포논, 마그논 및 기타 여기를 연구하는 데 핵심이다.
중성자 회절 중성자-물질 상호작용
엑스선은 원자의 전자 구름과 상호작용함으로써 정전기적 상호작용을 통해 물질과 상호작용한다. 이는 전자에 의해 강하게 산란될 수 있기 때문에 그 적용을 제한한다. 중성자는 중성임에도 불구하고 주로 단거리 강한 힘을 통해 원자핵과 상호작용한다. 핵은 전자 구름보다 훨씬 작기 때문에 대부분의 물질은 중성자에 투명하며 더 깊이 침투할 수 있다. 중성자와 핵 사이의 상호작용은 페르미 유사퍼텐셜로 설명된다. 즉, 중성자는 중간자 질량 문턱값보다 훨씬 위에 있으므로 효과적으로 점 같은 산란자로 취급될 수 있다. 대부분의 원소는 중성자를 흡수하는 경향이 낮지만, 카드뮴(Cd), 가돌리늄(Gd), 헬륨(3He), 리튬(6Li), 붕소(10B)와 같은 특정 원소는 핵 공명 효과로 인해 강력한 중성자 흡수를 나타낸다. 흡수 가능성은 중성자 파장에 따라 증가한다(σa ∝ λ). 즉, 느린 중성자가 빠른 중성자보다 더 쉽게 흡수된다.
중성자 회절 장비 및 시료 요구 사항
이 기술은 중성자원을 필요로 한다. 중성자는 일반적으로 원자로 또는 파쇄원에서 생성된다. 연구용 원자로에서는 (열중성자의 경우) 결정 단색화 장치와 원하는 중성자 파장을 선택하기 위한 필터 등 다른 부품도 필요하다. 설정의 일부는 이동식일 수도 있다. 장파장 중성자의 경우 결정은 사용할 수 없고 대신 회절 광학 부품으로 격자를 사용한다. 파쇄원에서는 비행 시간 기술을 사용하여 입사 중성자의 에너지(에너지가 높은 중성자는 더 빠르다)를 분류하므로 단색화 장치가 필요 없지만, 원하는 파장의 중성자 펄스를 필터링하기 위해 일련의 조리개 요소가 동기화되어야 한다.
이 기술은 일반적으로 분말 회절로 수행되며, 이는 다결정 분말만 필요로 한다. 단결정 작업도 가능하지만, 결정은 단결정 엑스선결정학에 사용되는 것보다 훨씬 커야 한다. 약 1 mm3 크기의 결정을 사용하는 것이 일반적이다.
중성자 회절 장비 및 시료 요구 사항
이 기술은 또한 산란된 중성자를 검출할 수 있는 장치를 필요로 한다.
요약하자면, 중성자 회절의 주요 단점은 원자로가 필요하다는 것이다. 단결정 작업의 경우, 이 기술은 비교적 큰 결정을 필요로 하며, 대부분의 재료에서는 큰 단결정을 얻기가 어렵거나 불가능하다. 그러나 미래의 발전은 이러한 상황을 바꿀 수도 있다. 이 기술의 장점은 많다. 가벼운 원자에 대한 감도, 동위 원소 구별 능력, 방사선 손상 부재, 그리고 수 센티미터의 침투 깊이를 들 수 있다.
중성자 회절 핵 산란
모든 양자 기본 입자와 마찬가지로, 중성자는 일반적으로 빛이나 소리와 관련된 파동 현상을 나타낼 수 있다. 회절은 이러한 현상 중 하나이다. 파동의 크기가 파장과 비슷한 장애물에 부딪힐 때 발생한다. 양자 입자의 파장이 충분히 짧으면 원자 또는 그 핵이 회절 장애물 역할을 할 수 있다. 원자로에서 나오는 중성자 빔이 속도에 따라 적절히 감속되고 선택되면, 그 파장은 고체 물질에서 원자 간의 전형적인 분리 거리인 1 옹스트롬 (0.1 nm) 근처에 놓인다. 이러한 빔은 회절 실험을 수행하는 데 사용될 수 있다. 결정 시료에 부딪히면 엑스선 회절을 설명하는 것과 동일한 브래그 법칙에 따라 제한된 수의 잘 정의된 각도로 산란된다.
중성자 회절 핵 산란
중성자와 엑스선은 물질과 다르게 상호 작용한다. 엑스선은 주로 각 원자를 둘러싼 전자 구름과 상호 작용한다. 따라서 회절된 엑스선 강도에 대한 기여는 원자 번호(Z)가 큰 원자일수록 커진다. 반면 중성자는 원자의 핵과 직접 상호 작용하며, 회절된 강도에 대한 기여는 각 동위 원소에 따라 달라진다. 예를 들어, 일반 수소와 중수소는 다르게 기여한다. 또한 가벼운 (낮은 Z) 원자가 큰 Z 원자가 존재하더라도 회절된 강도에 강하게 기여하는 경우가 많다. 산란 길이는 원자 번호에 선형적으로 비례하기보다는 동위 원소마다 다르다. 바나듐과 같은 원소는 엑스선을 강하게 산란시키지만, 그 핵은 중성자를 거의 산란시키지 않으므로 종종 용기 재료로 사용된다. 비자기 중성자 회절은 원자핵의 위치에 직접 민감하다.
중성자가 산란되는 원자핵은 아주 작다. 더욱이, 원자의 전자 구름 형태를 설명하기 위한 원자 형태 인자가 필요 없으며, 원자의 산란 능력은 엑스선과 같이 산란각에 따라 감소하지 않는다. 따라서 회절도는 특히 저온에서 실험이 수행될 경우 높은 각도에서도 강하고 잘 정의된 회절 피크를 보여줄 수 있다. 많은 중성자원은 액체 헬륨 냉각 시스템을 갖추고 있어 4.2 K까지의 온도에서 데이터를 수집할 수 있다. 뛰어난 고각(즉, 고해상도) 정보는 구조 내 원자 위치를 높은 정밀도로 결정할 수 있음을 의미한다. 반면에 중성자 데이터에서 파생된 푸리에 맵(Fourier map) (그리고 그보다 덜한 차이 푸리에 맵(difference Fourier map))은 시리즈 종료 오류로 인해 때로는 결과가 무의미할 정도로 심각하게 영향을 받는다.
중성자 회절 자기 산란
중성자는 전하를 띠지 않지만, 자기 모멘트를 가지고 있으므로 원자를 둘러싼 전자 구름에서 발생하는 자기 모멘트를 포함한 자기 모멘트와 상호 작용한다. 따라서 중성자 회절은 물질의 미시적 자기 구조를 밝힐 수 있다.
자기 산란은 작은 핵 주변의 훨씬 큰 전자 구름에 의해 발생하므로 원자 형태 인자가 필요하다. 따라서 회절 피크에 대한 자기 기여의 강도는 고각 쪽으로 감소한다.
중성자 회절 용도
중성자 회절은 기체, 액체 또는 비정질 고체의 정적 구조 인자를 결정하는 데 사용될 수 있다. 그러나 대부분의 실험은 결정질 고체의 구조를 목표로 하며, 중성자 회절을 결정학의 중요한 도구로 만든다.
중성자 회절은 엑스선 분말 회절과 밀접하게 관련되어 있다. 실제로 이 기술의 단결정 버전은 현재 사용 가능한 중성자원이 비교적 큰 시료를 필요로 하고 대부분의 재료에서 큰 단결정을 얻기가 어렵거나 불가능하기 때문에 덜 일반적으로 사용된다. 그러나 미래의 발전은 이러한 상황을 바꿀 수도 있다. 데이터가 일반적으로 1D 분말 회절도이기 때문에 주로 리트벨트 정밀화를 사용하여 처리된다. 실제로 후자는 중성자 회절(네덜란드 페텐에서)에서 시작되었으며 나중에 엑스선 회절에 사용되도록 확장되었다.
중성자 회절 용도
탄성 중성자 산란/회절의 한 가지 실용적인 응용은 금속 및 기타 결정질 재료의 격자 상수를 매우 정확하게 측정할 수 있다는 것이다. 정확하게 정렬된 미세 위치기와 함께 금속을 통해 격자 상수의 지도를 얻을 수 있다. 이는 재료가 경험하는 응력장으로 쉽게 변환될 수 있다. 이는 항공우주 및 자동차 부품의 응력을 분석하는 데 사용되어 왔다. 높은 침투 깊이는 크랭크샤프트, 피스톤, 레일, 기어와 같은 벌크 부품의 잔류 응력을 측정할 수 있도록 한다. 이 기술은 ISIS 중성자원의 ENGIN-X 장비와 같은 전용 응력 회절계의 개발로 이어졌다.
중성자 회절은 회절하는 모든 재료의 3D 구조에 대한 통찰력을 제공하는 데에도 활용될 수 있다.
또 다른 용도는 전해질 용액에서 이온 쌍의 용매화수를 결정하는 것이다.
중성자 회절 용도
자기 산란 효과는 중성자 회절 기술이 확립된 이래로 재료의 자기 모멘트를 정량화하고 자기 쌍극자 방향 및 구조를 연구하는 데 사용되어 왔다. 중성자 회절의 초기 응용 중 하나는 망가니즈, 철, 니켈 및 코발트 산화물과 같은 반강자성 전이 금속 산화물에서 자기 쌍극자 방향을 연구하는 것이었다. 클리포드 셜이 처음 수행한 이 실험들은 재료 구조 내에서 자기 쌍극자의 반강자성 배열의 존재를 보여준 최초의 실험이었다. 현재 중성자 회절은 새로 개발된 자기 재료를 특성화하는 데 계속 사용되고 있다.
중성자 회절은 싱크로트론 방사원보다 낮은 플럭스로도 단백질 및 계면활성제와 같은 낮은 원자 번호 재료의 구조를 훨씬 쉽게 확립하는 데 사용될 수 있다. 이는 일부 낮은 원자 번호 재료가 높은 원자량 재료보다 중성자 상호 작용에 대한 단면적이 더 크기 때문이다.
중성자 회절 용도
엑스선 회절에 비해 중성자 회절의 주요 이점 중 하나는 엑스선이 구조 내 수소(H)의 존재에 상당히 둔감한 반면, 핵 1H 및 2H (즉, 중수소, D)는 중성자에 대한 강한 산란체라는 것이다. 양성자와 중수소의 더 큰 산란 능력은 결정 내 수소의 위치와 그 열운동을 중성자 회절을 통해 더 높은 정밀도로 결정할 수 있음을 의미한다. 금속 수소화물 복합체, 예를 들어 Mg2FeH6의 구조는 중성자 회절을 통해 평가되었다.
H와 D에 대한 중성자 산란 길이 bH = −3.7406(11) fm 및 bD = 6.671(4) fm은 부호가 반대이므로 이 기술로 이들을 구별할 수 있다. 실제로 원소의 기여가 상쇄되는 특정 동위 원소 비율이 있는데, 이를 널-산란(null-scattering)이라고 한다.
시료에 비교적 높은 농도의 H가 있는 것은 바람직하지 않다. H-핵에 의한 산란 강도는 큰 비탄성 성분을 가지며, 이는 산란각에 거의 독립적인 큰 연속적인 배경을 생성한다. 탄성 패턴은 시료가 결정질인 경우 일반적으로 날카로운 브래그 반사로 구성된다. 이들은 비탄성 배경에 묻히는 경향이 있다. 이 기술이 액체 구조 연구에 사용될 때는 더욱 심각하다. 그럼에도 불구하고, 다른 동위 원소 비율로 시료를 준비함으로써 복잡한 구조 내에서 한 원소를 강조할 수 있을 만큼 산란 대비를 변경하는 것이 가능하다. 다른 원소의 변화도 가능하지만 일반적으로 상당히 비싸다. 수소는 저렴하고 특히 흥미로운데, 이는 생화학 구조에서 예외적으로 큰 역할을 하며 다른 방법으로는 구조적으로 연구하기 어렵기 때문이다.
중성자 회절 응용 분야
중성자 회절은 수소와 같은 가벼운 원소에 특히 민감하므로 수소 검출에 사용될 수 있다. 이는 수소 저장 응용 분야에서 관심 있는 재료 부류인 금속 수소화물 내의 결정 구조와 수소 결합 위치를 결정하는 데 중요한 역할을 할 수 있다. 격자 내 수소 원자의 순서는 재료의 저장 용량과 동역학을 반영한다.
중성자 회절은 중성자가 자기 모멘트와 상호 작용할 수 있으므로 재료의 자기 구조를 결정하는 데 유용한 기술이기도 하다. 중성자 회절을 사용하여 산화 망가니즈(MnO)의 반강자성 구조를 결정하는 데 사용될 수 있다. 중성자 회절 연구는 자기 모멘트를 측정하는 데 사용될 수 있다. 방향 연구는 중성자 회절이 재료의 자기 모멘트의 정확한 정렬을 어떻게 감지할 수 있는지 보여준다. 이는 엑스선으로는 훨씬 더 어렵다.
중성자 회절은 온도나 압력에 따라 결정 구조의 변화를 보이는 강유전체를 포함한 재료의 상전이를 이해하는 데 널리 사용되어 왔다. 티탄산납(PbTiO3)의 강유전성 상전이를 연구하는 데 활용될 수 있다. 원자 변위 매개변수 및 해당 격자 왜곡을 분석하는 데 사용될 수 있다.
중성자 회절 응용 분야
중성자 회절은 금속 및 합금을 포함한 공학 재료의 잔류 응력을 비파괴적으로 평가하는 기술로 사용될 수 있다. 또한 공학 재료의 잔류 응력을 측정하는 데도 사용된다.
중성자 회절은 리튬 원자가 엑스선 방사선에 거의 불투명하기 때문에 리튬 이온 배터리 재료 연구에 특히 유용하다. 충전 및 방전 주기 동안 리튬 이온 배터리 음극 재료의 구조적 진화를 조사하는 데 추가로 사용될 수 있다.
중성자 회절은 고온 초전도체에서 결정 및 자기 구조를 밝히는 데 중요한 역할을 해왔다. 고온 초전도체 YBa2Cu3O6+x의 자기 질서에 대한 중성자 회절 연구가 수행되었다. 전 세계의 이러한 과학 팀들의 연구는 자기 배열과 초전도 사이의 관계의 기원을 밝혀내고, 고온 초전도체 메커니즘에 대한 중요한 통찰력을 제공했다.
중성자 회절의 발전은 하중 하에서 합금의 기계적 변형에 대한 현장 조사를 용이하게 하여 변형 메커니즘에 대한 관찰을 가능하게 했다. 기계적 하중 하에서 티타늄 합금의 변형 거동은 현장 중성자 회절을 사용하여 조사할 수 있다. 이 기술은 변형 전반에 걸쳐 격자 변형 및 상변태를 실시간으로 모니터링할 수 있다.
중성자 회절 응용 분야
중성자 회절은 이온 채널을 연구하는 데 사용될 수 있으며, 중성자가 생물학적 구조와 상호 작용하여 원자 세부 사항을 밝히는 방법을 강조한다. 중성자 회절은 수소와 같은 가벼운 원소에 특히 민감하여 채널 내의 물 분자, 이온 위치 및 수소 결합을 매핑하는 데 이상적이다. 중성자 산란 패턴을 분석함으로써 연구자들은 이온 수송 및 선택성에 필수적인 이온 결합 부위, 수화 구조 및 형태 변화를 결정할 수 있다.
중성자 회절 중성자 회절의 현재 발전상
중성자 회절은 특히 오크리지 국립연구소(ORNL)에서 상당한 진전을 이루었는데, 이 연구소는 파쇄 중성자원(SNS)에 7개, 고플럭스 동위원소 원자로(HFIR)에 5개 등 12개의 회절계 세트를 운영하고 있다. 이 장비들은 다양한 응용 분야를 위해 설계되었으며, 분말 회절, 단결정 회절, 첨단 회절 기술의 세 가지 범주로 나뉜다.
중성자 회절 연구를 더욱 강화하기 위해 ORNL은 몇 가지 주요 프로젝트를 수행하고 있다.
이러한 발전은 중성자 회절 기술을 크게 향상시켜 재료 구조에 대한 더 정밀하고 상세한 분석을 가능하게 할 것이다. 연구 역량을 확대하고 중성자 생산 효율성을 높임으로써 이러한 발전은 재료 과학에서 에너지 연구 및 양자 물리학에 이르는 광범위한 과학 분야를 지원할 것이다.
중성자 회절 중성자 회절의 현재 발전상
중성자 회절 기술은 빔 강도 및 장비 효율성 개선에 중점을 두고 빠르게 발전하고 있다. 현대 장비는 더 작고 강력한 빔을 생성하도록 설계되어 더 작은 시료에 대한 고정밀 연구를 가능하게 하며, 이는 신소재 연구에 특히 유용하다. 헬륨-3을 대체할 붕소 기반의 첨단 검출기가 재료 부족 문제를 해결하기 위해 개발되고 있으며, 중성자 스핀 조작 개선은 자기 및 구조적 특성 연구를 향상시킨다. 시뮬레이션 및 가상 장비를 포함한 전산 발전은 중성자원을 최적화하고 실험 설계를 간소화하며 데이터 분석을 위한 기계 학습을 통합하고 있다. 다중화 및 이벤트 기반 획득 시스템은 여러 데이터 세트를 동시에 캡처하여 데이터 수집을 향상시키고 있다. 또한 유럽 파쇄 중성자원(ESS) 및 오크리지의 제2표적 스테이션(STS)과 같은 차세대 파쇄 중성자원은 중성자 생산 효율성을 높이고 있다. 마지막으로 원격 제어 실험 및 자동화의 증가는 중성자 회절 연구의 접근성과 정밀도를 향상시키고 있다.
중성자 회절 중성자 회절의 현재 발전상
중성자 회절의 현대적 발전은 데이터 정밀도를 높이고, 구조 연구 응용 분야를 확장하며, 실험 방법론을 개선하고 있다. 핵심적인 초점은 생물학적 고분자 내 수소 원자의 시각화를 개선하는 것으로, 이는 효소 활성 및 수소 결합 연구에 매우 중요하다. 전문 회절계의 확장은 구조 생물학 분야의 접근성을 높였으며, 단색, 준-라우에(quasi-Laue), 비행 시간 방법과 같은 기술은 효율성을 위해 최적화되고 있다. 특히 단백질 중수소화와 같은 시료 준비의 혁신은 배경 잡음을 최소화하고 큰 결정의 필요성을 줄이고 있다. 또한, 양자 화학 모델링을 포함한 인공 지능을 위한 계산 도구는 복잡한 분자 상호 작용의 해석을 돕고 있다. 파쇄 시설과 같은 향상된 중성자원과 첨단 검출기는 측정 정확도와 구조 해상도를 더욱 높이고 있다. 이러한 발전은 중성자 회절을 생물학적 시스템의 분자 구조를 탐구하는 데 중요한 기술로 확고히 하고 있다.
푸르푸릴 알코올
푸르푸릴 알코올(Furfuryl alcohol)은 하이드록시메틸기가 치환된 퓨란을 포함하는 유기 화합물이다. 무색 액체이지만, 오래된 샘플은 호박색으로 보인다. 희미하게 타는 냄새와 쓴맛이 있다. 물과 섞임이 가능하지만 물에 불안정하다. 일반적인 유기 용매에 용해된다.
푸르푸릴 알코올 합성
푸르푸릴 알코올은 옥수수 속대나 사탕수수 바가스와 같은 폐 바이오매스에서 일반적으로 생산되는 푸르푸랄의 수소화에 의해 산업적으로 제조된다. 따라서 푸르푸릴 알코올은 친환경 화학 물질로 간주될 수 있다. 고체산 촉매를 사용하여 자일로스로부터 직접 푸르푸릴 알코올을 생산하는 원팟(one-pot) 시스템이 연구되었다.
비록 순수한 화합물의 공급원은 아니지만, 마이야르 반응은 푸르푸릴 알코올(다른 많은 것들과 함께)을 생성한다.
푸르푸릴 알코올 반응
친전자성 알켄 및 알카인에 대한 딜스-알더 반응 첨가를 포함하여 여러 반응을 거친다. 하이드록시메틸화는 1,5-비스(하이드록시메틸)퓨란을 생성한다. 가수분해는 레불린산을 생성한다. 산, 열 및 촉매 반응제 처리 시 푸르푸릴 알코올은 중합되어 폴리(푸르푸릴 알코올) 수지를 형성할 수 있다. 푸르푸릴 알코올의 수소화는 테트라하이드로퓨란의 하이드록시메틸 유도체와 1,5-펜탄다이올을 생성할 수 있다. 상 이동 촉매의 도움을 받아 액체-액체-액체 삼상 시스템에서 푸르푸릴 알코올과 알킬 또는 아릴 할라이드(예: 벤질 클로라이드)의 에테르화 반응도 보고되었다. 아흐마토비치 반응, 즉 아흐마토비치 재배열 반응에서 푸르푸릴 알코올은 다이하이드로피란으로 전환된다.
푸르푸릴 알코올 응용
푸르푸릴 알코올의 주요 용도는 퓨란 수지 합성용 단량체이다. 이 고분자들은 열경화성 고분자 기질 복합 재료, 시멘트, 접착제, 코팅 및 주조/주물 수지에 사용된다. 중합은 산 촉매 폴리콘덴세이션을 포함하며, 일반적으로 검은색의 가교된 제품을 생성한다. 매우 단순화된 표현이 아래에 나와 있다.
낮은 분자량 때문에 푸르푸릴 알코올은 나무 세포에 침투할 수 있으며, 그곳에서 열, 방사선 및 촉매나 추가 반응물에 의해 중합되고 나무와 결합될 수 있다. 처리된 나무(예: "케보니")는 향상된 수분-치수 안정성, 경도, 부패 및 해충 저항성을 갖는다. 촉매에는 염화 아연, 시트르산, 폼산뿐만 아니라 붕산염도 포함될 수 있다.
푸르푸릴 알코올 응용
푸르푸릴 알코올은 로켓에서 백연질산 또는 적연질산 산화제와 접촉 시 자가발화하는 (즉시 활발하게 점화되는) 연료로 사용되었다. 자가발화성 물질의 사용은 점화기의 필요성을 없앤다. 서로 다른 비율의 푸르푸릴 알코올과 아닐린 혼합물은 미국의 MGM-5 코퍼럴 탄도 미사일과 WAC 코퍼럴 및 에어로비 관측 로켓에 사용되었다. 41%의 푸르푸릴 알코올, 41%의 자일리딘 및 18%의 메탄올 혼합물인 퓨랄린은 프랑스에서 SEPR이 개발한 항공기용 실험 로켓 엔진에 사용되었다.
2012년 말, 코펜하겐 서브오비탈스(Copenhagen Suborbitals)는 푸르푸릴 알코올 연료의 산화제로 백연질산을 사용하는 개념 액체 로켓 엔진 스펙트라(Spectra)의 정적 시험을 진행했다.
푸르푸릴 알코올 안전
푸르푸릴 알코올의 반수 치사량은 160 ~ 400 mg/kg (쥐 또는 토끼, 경구) 범위이다.
폴리에테르에테르케톤
폴리에테르에테르케톤(Polyether ether ketone, PEEK)은 공학 응용 분야에 사용되는 폴리아릴에테르케톤(PAEK) 계열의 베이지색 유기 열가소성 중합체이다. 1978년 11월에 발명되었으며 1980년대 초 임페리얼 케미컬 인더스트리스(ICI)의 일부에 의해 시장에 출시되었다. PEEK 부문은 경영진 매수(management buyout)를 통해 인수되어 빅트렉스 PLC가 탄생했다.
폴리에테르에테르케톤 합성
PEEK 중합체는 비스페놀레이트 염의 디알킬화에 의한 단계 성장 중합으로 얻어진다. 일반적인 반응은 탄산 나트륨으로 탈양성자화하여 그 자리에서 생성된 하이드로퀴논의 이나트륨 염과 4,4'-디플루오로벤조페논의 반응이다. 이 반응은 다이페닐 설폰과 같은 극성 비양성자성 용매에서 약 300°C에서 수행된다.
폴리에테르에테르케톤 특성
PEEK는 고온에서도 유지되는 우수한 기계적 및 내화학적 특성을 가진 반결정성 열가소성 플라스틱이다. PEEK를 성형하는 데 사용되는 가공 조건은 결정화도에 영향을 미치고, 따라서 기계적 특성에도 영향을 미칠 수 있다. 영률은 3.6 GPa이고 인장 강도는 90에서 100 MPa이다. PEEK는 약 143°C(289°F)의 유리 전이 온도를 가지며 약 343°C(662°F)에서 녹는다. 일부 등급은 최대 250°C(482°F)의 유용한 작동 온도를 갖는다. 열전도율은 실온과 고상선 온도 사이에서 온도에 따라 거의 선형으로 증가한다. 열 분해에 대한 저항성이 매우 높고, 유기 및 수성 환경 모두에 의한 공격에도 강하다. 할로겐과 강한 브뢴스테드 및 루이스 산, 그리고 일부 할로겐화 화합물과 고온의 지방족 탄화수소에 의해 공격받는다. 상온에서 농축 황산에 용해되지만, 중합체가 미세 분말이나 얇은 필름과 같이 표면적 대 부피 비율이 높은 형태가 아니면 용해되는 데 매우 오랜 시간이 걸릴 수 있다. 생분해에 대한 저항성이 높다.
폴리에테르에테르케톤 응용 분야
PEEK는 베어링, 피스톤 부품, 펌프, 고성능 액체 크로마토그래피 컬럼, 압축기 플레이트 밸브, 케이블 절연과 같이 까다로운 응용 분야를 위한 품목을 제작하는 데 사용된다. 이는 초고진공 응용 분야와 호환되는 몇 안 되는 플라스틱 중 하나로, 항공우주, 자동차 및 화학 산업에 적합하다. PEEK는 의료용 임플란트에 사용되며, 예를 들어 신경외과 응용 분야에서 부분적인 두개골 대체물을 만드는 데 사용된다.
PEEK는 척추 유합술 장치 및 보강 막대에 사용된다. 방사선 불투과성이지만, 소수성으로 인해 뼈와 완전히 융합되지 않는다. PEEK 씰 및 매니폴드는 유체 응용 분야에서 일반적으로 사용된다. PEEK는 또한 고온 응용 분야(최대 260°C/500°F)에서도 잘 작동한다. 이러한 특성과 낮은 열전도율 때문에 용융 필라멘트 제작(FFF) 인쇄에서 핫엔드와 콜드엔드를 열적으로 분리하는 데에도 사용된다.
폴리에테르에테르케톤 가공 옵션
PEEK는 대부분의 다른 열가소성 플라스틱에 비해 상대적으로 높은 온도(343°C/649.4°F)에서 녹는다. 녹는점 범위에서 사출성형 또는 압출성형 방법을 사용하여 가공할 수 있다. 과립형 PEEK를 필라멘트 형태로 가공하고 용융 적층 모델링 - FDM(또는 용융 필라멘트 제작 - FFF) 기술을 사용하여 필라멘트 재료로 3D 부품을 인쇄하는 것은 기술적으로 가능하다. PEEK 필라멘트는 의료기기 IIa 등급까지 생산하는 데 사용되었다. 이 새로운 필라멘트를 통해 FFF 방법을 의치와 같은 다양한 의료 응용 분야에 사용할 수 있게 되었다.
고체 상태의 PEEK는 CNC 밀링 머신 등으로 쉽게 가공할 수 있으며, 열적으로 안정하고 전기적 및 열적으로 절연되는 고품질 플라스틱 부품을 생산하는 데 일반적으로 사용된다. 충전된 PEEK 등급도 CNC 가공이 가능하지만, 재료의 응력을 적절하게 관리하기 위해 특별한 주의를 기울여야 한다.
PEEK는 고성능 중합체이지만, 복잡한 생산 공정으로 인한 높은 가격 때문에 가장 까다로운 응용 분야에만 사용이 제한된다.
폴리에테르에테르케톤 생체 역학 응용 분야의 형상 기억 PEEK
PEEK는 전통적으로 형상 기억 고분자가 아니지만, 최근 가공 기술의 발전으로 기계적 활성화를 통해 PEEK에서 형상 기억 거동이 가능해졌다. 이 기술은 정형외과 수술 분야의 응용으로 확대되었다.
공구강
공구강(tool steel)은 탄소강 및 특수강의 일종으로, 절삭공구, 금형, 수공구, 나이프 등을 포함한 도구 및 공구류 제작에 특히 적합하다. 이러한 적합성은 고유한 굳기, 마모 및 변형 저항성, 그리고 고온에서 절삭날을 유지하는 능력에서 비롯된다. 결과적으로 공구강은 자르기, 기계가공, 스탬핑, 단금과 같이 다른 재료를 성형하는 데 적합하다.
공구강은 탄소 함량이 0.4%에서 1.5% 사이이다. 기지 내 탄화물의 존재는 공구강의 품질에 중요한 역할을 한다. 공구강에서 탄화물을 형성하는 네 가지 주요 합금 원소는 텅스텐, 크로뮴, 바나듐 및 몰리브데넘이다. 다양한 탄화물이 철의 오스테나이트 형태로 용해되는 속도는 강의 고온 성능을 결정한다 (느릴수록 좋으며, 내열강이 된다). 이러한 강철의 적절한 열처리는 적절한 성능을 위해 중요하다. 망가니즈 함량은 물 담금질 시 균열 가능성을 최소화하기 위해 종종 낮게 유지된다.
공구강
공구강은 수경(水硬) 공구강, 냉간 가공 공구강, 내충격 공구강, 고속 공구강, 열간 가공 공구강, 특수 목적 공구강의 여섯 가지 그룹으로 나뉜다. 선택할 그룹은 비용, 작업 온도, 필요한 표면 굳기, 강도, 충격 저항 및 인성 요구 사항에 따라 달라진다. 사용 조건이 가혹할수록(고온, 마모성, 부식성, 부하), 공구강에 필요한 합금 함량과 그에 따른 탄화물 양이 많아진다.
공구강은 금속 및 기타 재료의 절단, 프레스, 압출 및 코이닝에 사용된다. 공구에서의 사용은 필수적이다. 예를 들어 사출 성형 금형은 마모에 대한 저항성 때문에 공구강이 필요하다. 이는 금형 수명 동안 수십만 번의 성형 작업을 가능하게 하는 금형 내구성에 중요한 기준이다.
AISI-SAE 공구강 등급은 다양한 공구강 등급을 식별하는 데 사용되는 가장 일반적인 척도이다. 등급 내 개별 합금에는 번호가 부여된다. 예를 들어, A2, O1 등이다.
공구강 수경(水硬) 공구강 그룹
W-그룹 공구강은 물 담금질을 해야 하는 고유한 특성에서 이름을 따왔다. W-등급 강철은 본질적으로 고탄소 탄소강이다. 이 공구강 그룹은 다른 강철에 비해 저렴하여 가장 일반적으로 사용되는 공구강이다. 고온에 노출되지 않는 부품 및 응용 분야에 적합하며, 150 °C (300 °F) 이상에서는 눈에 띄게 연화되기 시작한다. 경화능이 낮으므로 W-그룹 공구강은 급속 담금질을 해야 하므로 물을 사용해야 한다. 이 강철은 높은 굳기(66 로크웰 C 이상)를 얻을 수 있으며 다른 공구강에 비해 다소 취약하다. W-강철은 여전히 특히 스프링용으로 판매되지만, 19세기와 20세기 초에 비해 훨씬 덜 널리 사용된다. 이는 부분적으로 W-강철이 오일 담금질 또는 공기 경화 강철보다 담금질 시 훨씬 더 많이 휘어지고 균열이 발생하기 때문이다.
공구강 수경(水硬) 공구강 그룹
W-그룹 공구강의 인성은 망가니즈, 규소, 몰리브데넘과 합금하여 증가시킨다. 열처리 중 미세 결정립을 유지하기 위해 최대 0.20%의 바나듐이 사용된다.
W-강철에 대한 다양한 탄소 조성의 일반적인 적용 분야는 다음과 같다.
탄소 1.11–1.30%: 줄, 소형 드릴, 선반 공구, 면도날 및 큰 인성이 필요 없이 더 높은 내마모성이 요구되는 기타 경량 응용 분야. 약 0.8% C 강철은 더 많은 탄소를 함유한 강철만큼 단단해지지만, 1% 또는 1.25% 탄소강의 자유 철 탄화물 입자는 날을 더 잘 유지하게 한다. 그러나 산성 또는 염분이 있는 재료를 절단하는 데 사용되는 경우 미세한 날은 마모되는 것보다 더 빨리 녹슬 수 있다.
공구강 냉간 가공 공구강 그룹
냉간 가공 공구강은 O 시리즈(유경(油硬) 공구강), A 시리즈(공경(空硬) 공구강), D 시리즈(고탄소-크로뮴)를 포함한다. 이들은 저온에서 재료를 절단하거나 성형하는 데 사용되는 강철이다. 이 그룹은 높은 경화능과 내마모성, 그리고 평균적인 인성과 열 연화 저항성을 가지고 있다. 이들은 경화 시 최소한의 변형이 필요한 대형 부품 또는 부품 생산에 사용된다. 오일 담금질 및 공기 경화를 사용하면 변형을 줄이는 데 도움이 되며, 더 빠른 물 담금질로 인한 높은 응력을 피할 수 있다. 수경(水硬) 공구강 등급에 비해 이 강철에는 더 많은 합금 원소가 사용된다. 이 합금은 강철의 경화능을 증가시켜 덜 가혹한 담금질 공정을 필요로 하며 결과적으로 균열 발생 가능성이 적다. 표면 굳기가 높고 종종 나이프 날을 만드는 데 사용된다. 유경(油硬) 공구강 등급의 피삭성은 높지만 고탄소-크로뮴 유형은 낮다.
이 시리즈에는 O1형, O2형, O6형, O7형이 포함된다. 이 그룹의 모든 강철은 일반적으로 800 °C (1,500 °F)에서 경화되고, 오일 담금질한 다음 200 °C (400 °F) 미만에서 템퍼링된다.
공구강 냉간 가공 공구강 그룹
최초의 공경(空硬) 공구강은 당시 공경(空硬) 공구강으로 알려졌던 머솃 강이었다.
현대 공경(空硬) 공구강은 높은 크로뮴 함량으로 인해 열처리 중 변형이 적은 것이 특징이다. 가공성이 좋고 내마모성과 인성(즉, D 등급과 내충격 등급 사이)의 균형이 좋다.
D 시리즈 냉간 가공 공구강은 원래 D2, D3, D6, D7형을 포함했으며, 10%에서 13%의 크로뮴(매우 높은 수준)을 함유한다. 이 강철은 425 °C (800 °F)의 온도까지 굳기를 유지한다. 이 공구강의 일반적인 적용 분야에는 단조 금형, 다이캐스팅 금형 블록, 인발 금형 등이 있다. 높은 크로뮴 함량으로 인해 특정 D형 공구강은 종종 스테인리스강 또는 준스테인리스강으로 간주되지만, 대부분의 크로뮴과 탄소 성분이 탄화물로 석출되어 내식성이 매우 제한적이다.
공구강 내충격 공구강 그룹
높은 충격 저항과 우수한 경화능은 크로뮴-텅스텐, 규소-몰리브데넘, 규소-망가니즈 합금으로 제공된다. 내충격 공구강(S)은 저온 및 고온 모두에서 충격에 저항하도록 설계되었다. 필요한 인성을 위해 낮은 탄소 함량(약 0.5% 탄소)이 요구된다. 탄화물 형성 합금은 필요한 내마모성, 경화능 및 열간 가공 특성을 제공한다. 이 강철군은 매우 높은 충격 인성과 상대적으로 낮은 내마모성을 나타내며 58~60 HRC의 상대적으로 높은 굳기를 얻을 수 있다. 미국에서는 인성이 주로 1~2% 규소와 0.5~1% 몰리브데넘 함량에서 비롯된다. 유럽에서는 내충격강이 종종 탄소 0.5~0.6%와 약 3% 니켈을 포함한다. L6, 4340 및 스웨덴 톱날 강철과 같은 일부 내충격강 및 고강도 저합금강(HSLA)에서는 여전히 1.75%에서 2.75% 범위의 니켈이 사용되지만, 상대적으로 비싸다. 사용 예로는 착암기 비트 생산이 있다.
공구강 열간 가공 공구강 그룹
열간 가공 공구강은 고온에서 재료를 절단하거나 성형하는 데 사용되는 강철 그룹이다. H-그룹 공구강은 고온에 장기간 노출될 때 강도와 굳기를 위해 개발되었다. 이 공구강은 저탄소 및 중고합금강으로, 상당량의 탄화물로 인해 우수한 열간 굳기 및 인성, 그리고 적절한 내마모성을 제공한다. H1에서 H19는 5%의 크로뮴 함량을 기반으로 하며, H20에서 H39는 9-18%의 텅스텐 함량과 3-4%의 크로뮴 함량을 기반으로 한다. H40에서 H59는 몰리브데넘을 기반으로 한다.
예로는 DIN 1.2344 공구강 (H13)이 있다.
양쩌샹
양쩌샹(중국어: 杨泽翔, 1994년 12월 14일 ~ )는 중화인민공화국의 축구 선수로 포지션은 오른쪽 풀백이며 현재 중국 슈퍼리그 상하이 선화 소속이다.
폴리뷰타다이엔
폴리뷰타다이엔(Polybutadiene, [뷰타다이엔 고무])은 합성고무이다. 이는 높은 탄성, 높은 내마모성, 충전제 없이도 좋은 강도를 제공하며, 충전 및 가황 시 우수한 내마모성을 제공한다. "폴리뷰타다이엔"은 단량체 1,3-뷰타다이엔의 중합으로 형성된 동종 중합체에 대한 총칭이다. IUPAC은 폴리뷰타다이엔을 "폴리(뷰타-1,3-다이엔)"으로 지칭한다. 역사적으로, 바이엘이 나트륨을 촉매로 사용하여 독일에서 생산한 초기 합성 폴리뷰타다이엔 고무는 "부나 고무"로 알려져 있었다. 폴리뷰타다이엔은 일반적으로 황과 함께 가교되지만, 비스-벤조페논 첨가제가 배합에 포함될 경우 자외선 경화될 수도 있음이 입증되었다.
폴리뷰타다이엔
폴리뷰타다이엔 고무(BR)는 2020년 전 세계 합성고무 총 소비량의 약 28%를 차지했으며, 스타이렌-뷰타다이엔 고무(SBR)는 단연코 가장 중요한 등급이었다(S-SBR 12%, E-SBR 27%). 이는 주로 생산량의 약 70%를 소비하는 타이어 제조에 사용된다. 나머지 25%는 폴리스타이렌 및 ABS 수지와 같은 플라스틱의 인성(충격 저항)을 개선하기 위한 첨가제로 사용된다. 폴리뷰타다이엔은 또한 골프공 제조, 다양한 탄성 물체 제조 및 높은 전기 저항률을 제공하는 전자 어셈블리 코팅 또는 캡슐화에도 사용된다.
폴리뷰타다이엔 역사
러시아 화학자 세르게이 바실리예비치 레베데프는 1910년에 처음으로 뷰타다이엔을 중합했다. 1926년에는 에탄올로부터 뷰타다이엔을 제조하는 공정을 발명했고, 1928년에는 나트륨을 촉매로 사용하여 폴리뷰타다이엔을 생산하는 방법을 개발했다.
소련 정부는 폴리뷰타다이엔을 천연 고무의 대체재로 사용하기 위해 노력했으며, 1930년에 감자에서 생산된 에탄올을 사용하여 첫 번째 시험 공장을 건설했다. 이 실험은 성공적이었고, 1936년 소련은 석유에서 뷰타다이엔을 얻는 세계 최초의 폴리뷰타다이엔 공장을 건설했다. 1940년까지 소련은 연간 50,000톤으로 단연코 가장 큰 폴리뷰타다이엔 생산국이었다.
레베데프의 연구에 이어, 독일과 미국과 같은 다른 산업화된 국가들은 천연 고무의 대안으로 폴리뷰타다이엔과 SBR을 개발했다.
1950년대 중반에는 촉매 분야에서 큰 발전이 있었고, 이는 개선된 폴리뷰타다이엔 버전의 개발로 이어졌다. 타이어의 주요 제조업체들과 일부 석유화학제품 회사들은 모든 거주 대륙에 폴리뷰타다이엔 공장을 건설하기 시작했다. 이 붐은 1973년 석유 파동까지 지속되었다. 그 이후로 생산 성장률은 주로 극동 지역에 집중되어 더욱 완만해졌다.
폴리뷰타다이엔 역사
독일에서 바이엘 (당시 IG 파르벤 대기업의 일부)의 과학자들은 나트륨을 촉매로 사용하여 레베데프의 폴리뷰타다이엔 생산 공정을 재현했다. 이를 위해 그들은 뷰타다이엔의 Bu와 나트륨(라틴어로 natrium, 독일어로 Natrium)의 Na에서 파생된 Buna라는 상표명을 사용했다. 그들은 이 공정에 스타이렌을 첨가하면 더 나은 특성을 얻을 수 있음을 발견했고, 이 경로를 선택했다. 그들은 Buna-S (S는 스타이렌)라고 명명된 스타이렌뷰타다이엔고무를 발명했다.
비록 굿리치 코퍼레이션이 1939년에 폴리뷰타다이엔 생산 공정을 성공적으로 개발했지만, 미국 연방 정부는 제2차 세계 대전 참전 후 합성 고무 산업을 발전시키기 위해 부나-S 사용을 선택했으며, 이는 스탠더드 오일을 통해 얻은 IG 파르벤의 특허를 이용한 것이었다. 이 때문에 이 시기 미국에서는 폴리뷰타다이엔의 산업적 생산이 거의 없었다.
폴리뷰타다이엔 역사
전후, 천연 고무가 다시 쉽게 구할 수 있게 되면서 수요가 감소하여 합성 고무 생산은 하락세를 겪었다. 그러나 1950년대 중반 치글러-나타 촉매의 발견 이후 관심이 다시 불붙었다. 이 방법은 옛 나트륨 폴리뷰타다이엔보다 타이어 제조에 훨씬 더 나은 것으로 입증되었다. 이듬해 파이어스톤 타이어 앤 러버 컴퍼니는 뷰틸리튬을 촉매로 사용하여 낮은 시스 폴리뷰타다이엔을 처음으로 생산했다.
상대적으로 높은 생산 비용은 1960년 상업적 규모의 생산이 시작될 때까지 상업적 개발에 걸림돌이 되었다. 굳이어 타이어 앤 러버 컴퍼니 및 굿리치와 같은 타이어 제조업체들이 고 시스 폴리뷰타다이엔 공장을 처음으로 건설했으며, 이어서 쉘과 같은 석유 회사 및 바이엘과 같은 화학 제조업체들이 뒤를 이었다.
처음에 미국과 프랑스에 공장을 건설한 파이어스톤은 낮은 시스 폴리뷰타다이엔에 대한 독점권을 누렸으며, 일본과 영국의 공장에 라이선스를 부여했다. 1965년 일본의 JSR 코퍼레이션은 자체적인 낮은 시스 공정을 개발했으며 다음 10년 동안 라이선스를 부여하기 시작했다.
폴리뷰타다이엔 역사
1973년 석유 파동은 합성 고무 생산 성장을 중단시켰고, 기존 공장의 확장은 몇 년 동안 거의 중단되었다. 그 이후로 새로운 공장 건설은 주로 극동의 산업화 국가(예: 대한민국, 타이완, 태국, 중국)에서 이루어졌으며, 서구 국가들은 기존 공장의 용량을 늘리는 것을 선택했다.
1987년에 바이엘은 네오디뮴 기반 촉매를 사용하여 폴리뷰타다이엔을 촉매화하기 시작했다. 그 직후 이니켐(1993)과 페트로플렉스(2002)와 같은 다른 제조업체들도 관련 기술을 도입했다.
2000년대 초, 합성고무 산업은 다시 한번 주기적인 위기 중 하나에 직면했다. 세계 최대 폴리뷰타다이엔 생산 기업인 바이엘은 재정적 손실로 어려움을 겪으면서 대규모 구조조정을 거쳤다. 2002년에서 2005년 사이에 사르니아(캐나다)와 마를(독일)에 있던 코발트-폴리뷰타다이엔 공장을 폐쇄하고, 포르제롬(프랑스)과 오렌지(미국)의 네오디뮴 공장으로 생산을 이전했다. 같은 시기에 합성고무 사업은 바이엘에서 랑세스로 이전되었다. 랑세스는 2004년 바이엘이 화학 사업과 일부 고분자 활동을 분사하면서 설립된 회사이다.
폴리뷰타다이엔 뷰타다이엔의 중합
1,3-뷰타다이엔은 단순한 공액 다이엔 탄화수소인 유기 화합물이다 (다이엔은 두 개의 탄소-탄소 이중 결합을 가지고 있다). 폴리뷰타다이엔은 많은 1,3-뷰타다이엔 단량체를 연결하여 훨씬 더 긴 중합체 사슬 분자를 형성함으로써 생성된다. 중합체 사슬의 연결성 측면에서 뷰타다이엔은 시스, 트랜스, 비닐의 세 가지 방식으로 중합될 수 있다. 시스 및 트랜스 형태는 뷰타다이엔 분자를 말단 대 말단으로 연결하는 이른바 1,4-중합으로 발생한다. 결과적으로 생성되는 폴리뷰타다이엔 이성질체 형태의 특성은 서로 다르다. 예를 들어, "고 시스" 폴리뷰타다이엔은 높은 탄성을 가지며 매우 인기가 있지만, 이른바 "고 트랜스"는 유용한 응용이 거의 없는 플라스틱 결정이다. 폴리뷰타다이엔의 비닐 함량은 일반적으로 몇 퍼센트 이내이다. 이 세 가지 연결성 외에도 폴리뷰타다이엔은 분지 및 분자량 측면에서 다르다.
폴리뷰타다이엔 뷰타다이엔의 중합
중합 중에 형성된 트랜스 이중 결합은 중합체 사슬이 비교적 직선 상태를 유지하도록 허용하여, 중합체 사슬의 부분이 정렬되어 재료 내에 미세 결정 영역을 형성할 수 있게 한다. 시스 이중 결합은 중합체 사슬에 굽힘을 유발하여 중합체 사슬이 정렬되어 결정 영역을 형성하는 것을 방지하며, 이는 더 큰 무정형 중합체 영역을 초래한다. 중합체 내에 상당한 비율의 시스 이중 결합 구성이 있으면 유연한 탄성체 (고무와 같은) 특성을 가진 재료가 생성된다는 것이 밝혀졌다. 자유 라디칼 중합에서는 온도에 따라 시스 및 트랜스 이중 결합이 모두 일정 비율로 형성된다. 촉매는 시스 대 트랜스 비율에 영향을 미친다.
생산에 사용되는 촉매는 폴리뷰타다이엔 제품의 종류에 상당한 영향을 미친다.
이 유형은 높은 시스 비율(일반적으로 92% 이상)과 적은 비닐 비율(4% 미만)을 특징으로 한다. 이는 전이 금속 기반의 치글러-나타 촉매를 사용하여 제조된다. 사용되는 금속에 따라 특성이 약간 달라진다.
폴리뷰타다이엔 뷰타다이엔의 중합
코발트를 사용하면 가지 달린 분자가 생성되어 점도가 낮고 사용하기 쉬운 재료가 되지만, 기계적 강도는 상대적으로 낮다. 네오디뮴은 가장 선형적인 구조(따라서 더 높은 기계적 강도)와 98%의 더 높은 시스 비율을 제공한다. 덜 사용되는 다른 촉매로는 니켈과 타이타늄이 있다.
뷰틸리튬과 같은 알킬리튬을 촉매로 사용하면 일반적으로 36%의 시스, 54%의 트랜스, 10%의 비닐을 포함하는 "저 시스"라고 불리는 폴리뷰타다이엔이 생성된다.
낮은 유리 전이 온도에도 불구하고 저 시스 폴리뷰타다이엔은 타이어 제조에 사용되며 다른 타이어 중합체와 혼합되며, 젤 함량이 낮기 때문에 플라스틱의 첨가제로 유리하게 사용될 수 있다.
1980년, 일본 기업 Zeon의 연구원들은 70% 이상의 고 비닐 폴리뷰타다이엔이 높은 유리 전이 온도를 가짐에도 불구하고 타이어에서 고 시스와 함께 유리하게 사용될 수 있다는 것을 발견했다. 이 재료는 알킬리튬 촉매로 생산된다.
폴리뷰타다이엔 뷰타다이엔의 중합
폴리뷰타다이엔은 고 시스와 유사한 촉매(네오디뮴, 란타넘, 니켈)를 사용하여 90% 이상의 트랜스 함량으로 생산할 수 있다. 이 재료는 약 80°C에서 녹는 플라스틱 결정(즉, 탄성체가 아님)이다. 이전에는 골프공의 바깥층에 사용되었다. 오늘날에는 산업적으로만 사용되지만, 우베와 같은 회사들은 다른 가능한 응용 분야를 연구하고 있다.
일본 연구원들은 뷰타다이엔을 중합하기 위해 메탈로센 촉매를 사용하는 것을 연구하고 있다. 그 이점은 분자량 분포와 시스/트랜스/비닐 비율 모두에서 더 높은 제어 수준으로 보인다. 2006년 현재 상업적으로 "메탈로센 폴리뷰타다이엔"을 생산하는 제조업체는 없다.
1,3-뷰타다이엔은 일반적으로 스타이렌 및 아크릴로나이트릴과 같은 다른 종류의 단량체와 공중합되어 다양한 품질의 고무 또는 플라스틱을 형성한다. 가장 일반적인 형태는 스타이렌뷰타다이엔고무 공중합체이며, 이는 자동차 타이어의 상품 재료이다. 또한 블록 공중합체 및 ABS 수지와 같은 강한 열가소성 플라스틱에도 사용된다. 이런 방식으로 좋은 뻣뻣함, 굳기, 인성을 가진 공중합체 재료를 만들 수 있다.
사슬이 모든 반복 단위에 이중 결합을 가지고 있기 때문에, 이 재료는 오존 균열에 민감하다.