기초과학

중국과학자 새로운 탄소구조 설계

발행일 : 2011 / 04 / 28

중국과학자가 세계 화학계가 주목할만한 연구결과를 발표했다. 최근 중국과학원 대학원의 수강(蕭剛)교수와 그가 지도하는 성센레이(胜獻雷)박사는 새로운 탄소구조를 설계하고, 이 구조를 T-카본(T-carbon)이라 명명하였다. 이 연구결과는 “Physical Review Letters” 학술지에 발표되었고, Science News, PhysOrg.com에 의해 헤드라인 뉴스로 보도되었다.

지구상의 생명을 구성하는 가장 기본적인 원소인 탄소는 결합능력이 매우 강하여 기타 원소와 무기화합물 혹은 유기화합물을 형성한다. 자연계가 생물 다양성을 나타내는 것도 바로 이러한 이유 때문이다.

탄소는 자연계에서 일반적으로 흑연, 다이아몬드와 비정질탄소의 3가지 형태로 존재한다. 1980년대이후 과학자들은 탄소풀러린, 탄소나노튜브와 그래핀과 같은 탄소의 새로운 동소체를 합성해내었다. 이러한 합성탄소는 화학, 물리, 재료, 정보과학분야는 물론이고 공업분야에서도 광범위하게 응용되기 시작하였다. 과학자들이 새로운 유도체를 지속적으로 합성해내면서 신규 기능소자와 관련 제품도 개발되고 있다.

다른 한편으로 화학합성기술의 발전에 힘입어 복잡한 탄소동소체를 획득할 수 있게 되면서 탄소의 새로운 동소체를 탐구하는 단계에 들어섰다.

연구팀은 입방구조의 다이아몬드를 구성하는 매개 탄소원자 대신에 하나의 정사면체구조의 탄소원자를 대체해넣으면 삼차원의 새로운 탄소 입방결정구조를 형성할 수 있다는 이론을 제기하였다. 밀도범함수이론(density functional theory) 연구에 따르면 이 구조는 기하, 에너지 및 동력학적으로 모두 안정적이다.

기타 동소체에 비해 T-carbon은 특정방향에서의 원자간 간격이 큰 편이며 원자부피는 다이아몬드의 2배이상, 흑연의 1.5배이며, 체적탄성률은 다이아몬드의 36%, 흑연의 57%이다. T-carbon원자간 간격이 비교적 크기에 에너지축적재료로 매우 이상적이다.

전문가들은 T-carbon의 독특한 성능이 실험을 통해 검증된다면 광촉매, 흡착, 수소저장, 항공우주재료 등에서 광범위하게 응용될 것으로 전망하였다. T-carbon은 우주먼지나 외계행성에서 관찰될 가능성이 있다.