기초과학

세계 최초로 단일 카이랄성 탄소나노튜브 긴 공액사슬 단편 합성

발행일 : 2019 / 12 / 13

중국과학기술대학교 두핑우(杜平武) 연구팀은 정밀 분자설계를 통해 세계 최초로 단일 카이랄지수(chiral index) 단일벽 탄소나노튜브의 긴 공액사슬 단편을 합성하였다. 해당 성과는 표지논문 형식으로 “JACS”에 게재되었다.

탄소나노튜브는 sp2 결합 원자만을 함유한 완전 탄소 기반 관상 공액중합체(conjugated polymer)로 볼 수 있다. 하지만 특정 지름의 탄소나노튜브 단편 긴 공액중합체 관련 연구는 보고된바 없다. 단일 지름/카이랄성을 보유한 순수 탄소나노튜브 재료는 나노과학기술 및 전자학 분야에서 중요한 응용 잠재력을 보유하지만 해당 탄소나노튜브 합성은 합성화학 및 재료화학 영역에서 해결해야 할 과제로 남아있다. 촉매 표면 매개 성장 방법은 탄소나노튜브 제조 분야에서 거대한 잠재력을 보여주고 있지만 나노튜브 순도 문제를 극복해야 하는 어려움이 존재한다.

연구팀은 탄소나노튜브 새 구조 합성 및 물리성질 분야에서 수행한 일련의 선행연구에 기초하여 이중 기능화 구조를 만곡 공액소분자 탄소고리에 교묘하게 인입한 후 니켈 촉매 커플링반응을 통해 해당 단편의 1차원 방향에서의 신장을 구현함으로써 특정 지름 단일벽 탄소나노튜브 긴 공액사슬 단편을 구축했다. 또한 겔투과크로마토그래피, 핵자기, 적외선 및 라만분광 등 특성화 방법을 통해 탄소나노튜브 긴 공액중합체의 성공적 합성을 입증하였다. 광각 방사선 회절 테스트를 통해 중합체 고체박막은 뚜렷한 회절고리를 보유하며 일정한 결정화도(crystallinity)를 나타냄을 발견했다. 단량체와 공액중합체의 흡수, 형광 및 형광감쇠곡선 비교를 통해 공액 수준의 증가는 중합체의 광물리 성질을 대폭 향상시킴을 발견했다.

해당 긴 공액사슬 단편은 구조 분야에서 팔걸이의자형 단일벽 탄소나노튜브의 공액 고분자화합물에 접근한 세계 최초의 사례이다. 해당 연구는 특정 지름 단일벽 탄소나노튜브의 신형 긴 공액구조 합성을 달성해 초고순도 단일벽 탄소나노튜브 제조에 상응하는 공액 고분자 템플릿을 제공함과 아울러 용액법을 통한 단일 카이랄성 탄소나노튜브 제조 및 성질 연구에 중요한 참고정보를 제공했다.

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