기초과학연 "이상적 탄소 소재인 '탄소 슈왈차이트' 합성 가능성 확인"
(대전=연합뉴스) 김준호 기자 = 기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단 로드니 루오프 단장(UNIST 특훈교수) 연구팀은 중국 과학기술대와 공동으로 반도체와 금속 수준의 전기 전도도를 지닌 '장주기 규칙성을 갖는 다공성 탄소'(LOPC)를 합성해냈다고 12일 밝혔다.
연필심·다이아몬드·그래핀 등 원자 배열에 따라 다채로운 물리적 특성을 갖는 탄소 동소체 가운데 하나인 '풀러렌'은 그래핀과 달리 응용 연구가 많이 이뤄지지 않았다.
응용하려면 풀러렌의 원자 배열이나 구조를 변형시켜야 하는데 지름이 0.7㎚(1㎚는 10억 분의 1ｍ)에 불과하고 안정적인 분자 구조를 가져 화학적·물리적 변형이 어렵다. 변형에 성공한다 해도 응용 가치가 있는 수준으로 대량 합성하기 어려웠다.
공동연구팀은 분말 형태 풀러렌을 알파리튬질소화합물과 혼합한 뒤 550도까지 가열했다.
이에 따라 풀러렌 속 탄소 간 결합이 일부 끊어지고, 인접한 풀러렌끼리 결합하면서 연결됐다.
연구팀이 이렇게 새로운 구조로 합성된 'LOPC'를 분석한 결과, LOPC는 입체적 구조의 풀러렌이 그래핀과 같은 2차원 소재로 변하는 과정에서 생성된 사실을 확인했다.
LOPC는 전기전도도가 낮은 풀러렌을 재료로 사용했음에도 상온에서 반도체 소자 수준의 전기전도도를 나타냈다. 15도 미만의 저온에서는 금속 수준의 전기전도도를 보였다고 연구팀은 설명했다.
연구팀은 또 말 안장 같은 음(-)의 곡률을 갖는 오목한 LOPC를 합성하는 데 성공했다.
지금까지 개발된 탄소 소재들은 그래핀처럼 평면이거나 풀러렌처럼 볼록한 구조였다.
이번 연구는 이상적 탄소 소재인 '탄소 슈왈차이트' 합성 가능성을 확인했다는 점에서 의미가 크다고 연구팀은 설명했다.
탄소 슈왈차이트는 다량 에너지를 저장할 수 있는 커패시터(축전기), 내부 빈 곳을 이용해 약물을 체내로 전달하는 운반체, 넓은 표면적을 갖춘 효율 높은 촉매 등으로 산업적 응용 가치가 클 것으로 전망되는 소재다.
루오프 단장은 "이번 연구는 신물질인 LOPC를 수 ｇ 수준의 대용량으로 합성하고, 그 구조를 명확하게 규명한 첫 사례"라며 "이상적 물질인 '탄소 슈왈차이트' 합성에 한 발짝 더 다가서게 됐다"고 말했다.
이번 연구 결과는 이날 국제학술지인 '네이처'에 온라인 게재됐다.
kjunho@yna.co.kr
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