나노스케일에서 액체의 기계적 거동, 특히 다양한 변형률과 극한 온도 조건 하의 정수압 응력 하에서의 거동을 규명하는 일은 마이크로유체, 생의의학 및 에너지 시스템의 발전을 위한 데에 상당한 잠재력을 가진다. 그러나 이러한 연구는 액체를 마이크로/나노스케일에서 캡슐화하는 데 내재된 어려움과, 제한된 마이크로스케일 환경 내에서 응력을 정확히 가하고 측정하는 데 따르는 난점 때문에 실험적으로 여전히 도전적이다. 본 연구에서는 마이크로스케일에서의 액체 캡슐화를 위한 신규 단일 단계 방법과, 이어지는 극한 동적 열역학적 조건에서의 현장(in situ) 미세기계적 시험을 제시한다. 액체 공정에서의 국소 전착(locaized electrodeposition)은 피코리터(picoliters) 규모의 액체를 포함하는 중공 구리 마이크로아키텍처를 직접 형성하게 한다. 캡슐화된 액체의 존재 여부는 극저온 및 승온 조건에서의 구조 분석을 통해 확인하였다. 우리는 압축 시험을 통해 구속된 액체의 기계적 역할을 조사하였으며, 그 결과 실온에서 비압축성을 보이고, -160°C의 얼음(ice) 상에서는 하중 지지 능력이 향상됨을 입증하였다. 이 결과는 얼음의 크기 의존적 강도로 인해 에너지 소산이 향상됨을 보여준다. 또한 우리는 미세가공된 푸시-투-풀(push-to-pull) 구조를 이용하여 -160°C에서 구리-얼음 복합재의 인장 거동을 평가하였다. 본 연구 결과는 금속 마이크로아키텍처 내에서의 액체 캡슐화에 대한 새로운 경로를 제시하며, 이는 마이크로전자공학, 제약 및 에너지 저장 분야에 도움을 주고 영향을 미칠 수 있을 것이다.

3차원(3D) 격자 구조는 재료의 물성 범위를 확장할 수 있다. 재료의 미세구조뿐 아니라 그 기하학적 구조도 물성을 크게 좌우하여, 다기능성 재료를 위한 설계 자유도를 제공한다. 이러한 맥락에서 복합재에 3D 격자 구조를 도입하면 재료의 물성을 한층 능가하는 결과를 구현할 수 있다. 그러나 제조상의 어려움으로 인해 격자 패턴을 갖는 금속 복합재는 대체로 연구되지 못했다. 본 연구에서는 모형 연구로서, 격자 패턴을 갖는 구리-316L 스테인리스강 복합재의 최초 제작과 그 열적 및 기계적 물성에 대한 실험적 조사를 보고한다. 단순 입방(simple cubic) 패턴의 구리 구조를 갖는 강-구리 복합재는 직접 에너지 적층(direct energy deposition)으로 제조하고, 후처리를 통해 치밀화한다. 투과전자현미경 분석은 강 구성 원소가 구리 격자 내에 존재함을 확인하며, 확산이 일어난 후 후속적인 상 분리가 진행되었음을 보여준다. 유효 열전도도 분석을 이용하여, 복합재의 열 전달 효율 및 강-구리 계면에서의 열 접촉 열전도에 대한 제조 공정의 영향을 평가한다. 또한, 강 매트릭스의 도입에 의해 향상된 복합재의 압축 강도는 압축 시험을 통해 평가하였다. 본 연구는 높은 열전도도가 요구되는 산업적 응용을 위한 격자 패턴 복합재를 직접 에너지 적층으로 제조할 수 있음을 보여주며, 그 물성에 대한 최적화 지침을 제공한다. • 격자 패턴 강-구리 복합재는 직접 에너지 적층을 통해 제조되었다. • 스파크 플라즈마 소결(spark plasma sintering)의 후처리는 복합재의 유효 열전도도와 압축 강도를 향상시킨다. • 후처리는 강 구성 원소의 구리 격자 내 확산을 유발하여 상 분리를 초래한다. • 후처리로 인한 강-구리 계면의 열 접촉 열전도도 향상은 복합재의 향상된 유효 열전도도에 기인한다. • 본 연구는 격자 패턴 복합재의 실현 가능성과 공정 최적화에 대한 통찰을 제공한다.