일단 기사부터 보고 오시구랴

http://www.donga.com/news/article/all/20190830/97186868/1

들어가기 귀찮은 갤럼들을 위해 짧게 설명하자면, 위 기사는 카본 나노튜브 소재의 반도체를 만들었다는 소식이다.

갤럼들이나 나나 과학에 관심이 많다면 귀에 딱지가 앉도록 카본 나노튜브에 들었을 것이다.

그런데, 여기에는 어떤 과학이 숨어 있을까? 거기에 대해서 오늘 자세히 이야기 해 보고자 한다.



우선 카본 나노튜브는 탄소 동소체의 한가지로 분류된다.

동소체는 같은 원소로 이루어져 있으면서, 서로 다른 원자 배열을 가져 다른 형태를 띠는 물질들을 가리키는 말이다.

흑연과 다이아몬드는 탄소 동소체의 대표적인 예시로, 이들은 1985년까지 거의 유이하다시피 한 탄소 동소체였다.

그러던 중 1985년 처음으로 Kroto와 Smalley가 흑연에 레이절르 조사함으로써 풀러렌을 만들어내었다. 

이후 C60, C70, C76, C78, C80, C84 등의 풀러렌 화합물들이 만들어지기 시작했고, 이 이후로 탄소 동소체에 대한 연구가 활발하게 이루어졌다.


이후 2004년 갤럼들도 들어봤을만한 사건이 일어났다.

안드레 가임 교수를 위시한 맨체스터 대학 연구팀이 스카치테이프를 이용해 흑연층에서 그래핀을 분리해 내었다.

이들은 이 공로로 2010년 노벨 물리학상을 수상한다.


그럼 이제 본격적으로 카본 나노 튜브에 대한 이야기를 해 보자.

여기서 서술하는 방법 그대로 카본 나노튜브를 만들어내진 않고 심지어 카본 나노튜브가 1991년에 그래핀보다 먼저 합성되었다는 사실을 명시하지만, 갤럼들의 이해를 돕기 위해 이 방법으로 설명을 하겠다.

우선 그래핀을 한장 생각해보자. 그리고 이 그래핀을 띠 형태로 잘라 보자. 이를 보고 나노 리본이라고 부른다.

그 다음 이 리본의 긴 모서리 부분을 이어지도록 나선형으로 말면, 속이 빈 형태의 끈이 된다. 이를 카본 나노 튜브라고 부른 것이다.

이때 아주 중요한 점이 하나 있는데 바로 이 모서리들을 어떻게 이어내는가이다.


위 그림을 보면 한 눈에 이해가 가능할 것이다. 같은 열끼리 딱 맞물려 연결이 이뤄진다면 Armchair나 Zigzag 형태를, 서로 다른 열이 엇갈려서 결합되게 되면 Chiral 구조를 띠게 된다. 

이때 결합의 엇갈림으로 생겨나는 이 구조의 엇갈림을 구조적 비대칭성, Chirality라고 부르며 이에 따라서 카본 나노튜브의 물성은 천양지차로 달라지게 된다.

또한 이러한 화학적 구조 뿐만 아니라 튜브의 직경까지도 물성에 영향을 준다.


카본 나노튜브를 얻어내는 방법은 보통 탄소 전극에 전기 방전을 일으켜 만들어지며, 카본 나노튜브의 chiralty 조절은 촉매의 선택에 따라 달라지게 된다. 

이렇게 해서 얻어낸 카본 나노튜브는 매우 잘뭉치는 성질을 가지고 있기 때문에 이들을 분산시켜줘야 한다.

위 기사에서는 고주파를 이용하여서 분산시킨 것으로 추측되지만, 나노튜브 표면의 탄소들을 개질시켜 새로운 기능기를 달아 용해도를 향상 시키는 방법도 자주 쓰인다.

이렇게 만들어진 탄소 나노튜브는 풀러렌을 품고 있어 콩깍지의 모양을 한 carbon peapod 등으로 활용하려는 방안이나 카본 나노 튜브를 지퍼를 열듯이 풀어내 나노리본의 합성에 사용하려는 방안도 제기되고 있다.