매우 얇은 나노실을 형성하는 가장 작은 다이아몬드

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KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-09
펜실베이니아 주립대학(Penn State University)의 연구진은 오늘날 가장 강한 나노튜브와 폴리머의 강도와 강성보다 더 높은 강도와 강성을 가진 매우 얇은 “다이아몬드 나노실(diamond nanothread)”을 제조하는데 성공했다. 이 연구결과는 저널 Nature Materials에 게재되었다. “기초 과학의 관점에서, 우리가 발견한 실은 이전에 결코 본 적이 없는 구조를 가지기 때문에 놀랍다”고 Badding이 말했다. 이번 연구팀이 만든 나노실의 코어는 다이아몬드 구조의 기본 단위처럼 길고 매우 얇은 탄소 원자 사슬로 구성되어 있다. 각 탄소는 사면체의 강한 삼각형-피라미드 모양으로 구성되어 있다. “이것은 매우 작은 목걸이를 구성하기 위해서 매우 작은 다이아몬드가 서로 연결되어 있는 것과 같다”고 Badding은 말했다. “이런 실이 다이아몬드의 중심에 있기 때문에, 이것은 매우 딱딱하고, 매우 강하고, 매우 유용할 것”이라고 Badding은 덧붙였다.  이 연구결과는 정렬된 다이아몬드와 같은 나노물질 속에 액체 벤젠과 같은 탄소 분자들을 압축할 수 있다는 것을 처음 증명했다. “우리는 벤젠을 6밀리미터의 폭으로 압축하기 위해서 오크리지 국립 연구소(Oak Ridge National Laboratory)의 고압 Paris-Edinburgh 장치를 사용했다”고 Malcolm Guthrie가 말했다. “우리는 정상 온도에서 효과적인 압축을 한 후에 압력의 느린 방출이 일어나기 때문에 탄소 원자가 서로 반응하고 탄소 사면체의 매우 정렬된 사슬로 연결할 수 있는 시간을 준다는 것을 발견했다. 이것은 다이아몬드-코어 나노실을 형성한다”고 Guthrie가 덧붙였다.  이번 연구팀은 강한 사면체 형상을 형성하기 위해서 탄소 원자들이 포함된 분자들을 유인했고, 그 후에 길고 매우 얇은 나노실을 형성하기 위해서 각 사면체의 끝과 끝을 연결했다. 이번 연구진은 작고, 단지 몇 원자 크기를 가지고, 광학 섬유보다 수십 만 배 더 작고, 평균 머리카락의 두께보다 훨씬 더 얇은 나노실을 얻을 수 있었다. “이것은 가장 강하고 가장 큰 강성을 가진 재료이고, 매우 얇다”고 그는 말했다. 이번 연구진이 압축한 분자는 벤젠이다. 벤젠은 6개의 탄소 원자들과 6개의 수소 원자들을 포함하는 평편한 링 형태로 구성된다. 생성된 다이아몬드-코어 나노실은 수소 원자에 의해서 둘러싸여 있다. 압축 프로세스 동안에, 평편한 벤젠 분자들은 서로 적층되고 구부려지고, 서로 분리된다. 그 후에 이번 연구진이 압력을 천천히 방출시킨 후에, 원자들은 매우 다른 정렬 방식으로 다시 연결된다. “이런 종류의 조직이 발생한다는 것은 놀라운 일”이라고 Badding은 말했다. “벤젠 분자들의 원자들이 실을 만들기 위해서 상온에서 스스로 연결된다는 것은 화학자와 물리학자에게 충격을 주었다. 더 이전 실험을 고려할 때, 우리는 벤젠 분자가 초고압 하에서 부서질 때, 이것의 원자들은 다른 것들을 붙잡기를 원하지만 그들은 압력이 제거되었기 때문에 움직일 수 없게 된다. 그 후에 다이아몬드-코어 나노실을 형성하는 중합 반응 때, 너무나 느리게 압력을 방출하기 때문에 이 벤젠은 큰 반응성을 가진다”고 Badding은 설명했다.  이번 연구진은 X-선 회절, 중성자 회절, 라만 분광기, 제1원리 계산(first-principle calculations), 투과 전자 현미경, 고체-상태 핵자기 공명(solid-state nuclear magnetic resonance) 등의 수많은 분석 방법을 이용해서 다이아몬드 나노실의 구조를 확인했다. 최초의 다이아몬드 나노실의 일부는 다소 완벽하지 않고, 그들의 구조를 향상시키는 것이 이 프로그램의 향후 목표이다. 이번 연구진은 그들을 더 많이 만들 수 있는 방법을 발견하기를 원했다. “최초의 다이아몬드 나노실 재료를 만드는데 사용되는 고압은 한 번에 제곱 밀리미터의 용량을 가지는 한계가 있다”고 Badding은 말했다. “우리의 과학적 목표 중의 하나는 더 실용적인 조건 하에서 이런 다이아몬드 나노실을 만드는데 필요한 화학적 특성을 확인하는 것이 될 것”이라고  Badding은 덧붙였다.  나노실은 강한 사면체 코어를 기반으로 하는 다이아몬드와 같은 새로운 나노재료를 개발할 수 있게 할 것이다. “이 연구결과는 탄소와 수소를 기반으로 하는 다른 많은 종류의 분자들을 만들 수 있게 하는 새로운 길을 열어준다”고 Badding은 말했다. “당신은 탄소와 수소의 코어 주변에 다른 종류의 원자들을 부착할 수 있다. 이 목표는 생성된 나노실 속에 결합될 수 있는 다른 원자들을 추가할 수 있게 할 것이다. 우리가 디자인한 액체에 압력을 가함으로써, 우리는 수많은 서로 다른 재료를 만들 수 있었다”고  Badding은 언급했다.  가장 흥미로운 적용분야는 매우 강하고, 단단하고, 가벼운 재료를 만드는 것이 될 것이다. 예를 들어, 이런 재료들은 더 가볍고 더 연료 효율적이고 더 적은 오염물질을 배출하는 자동차에 적용될 수 있을 것이다. “나노물질의 적용 분야 중의 하나는 우주 엘리베이터(space elevator)를 만들 수 있게 하는 매우 강하고 가벼운 케이블을 들 수 있을 것이다. 우주 엘리베이터는 지금까지 공상 과학에서만 존재하는 개념”이라고 Badding은 말했다. 이 연구결과는 저널 Nature Materials에 “Benzene-derived ​carbon nanothreads” 라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/nmat4088). 그림. 가장 강한 나노튜브와 폴리머보다 더 높은 강도와 강성을 가진 다이아몬드 나노실. 나노실의 코어는 다이아몬드 구조의 기본 단위처럼 배열된 길고 매우 얇은 탄소 원자 사슬이다. 이 다이아몬드 구조는 서로 결합된 6개의 탄소 원자 고리로 구성되어 있다. 각 탄소는 사면체의 강한 삼각형-피라미드 모양으로 둘러싸여 있다. noname011.bmp http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=38340.php