| 중국 과학자가 예측한 T-탄소 합성 | ||
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 최근, 중국 연구팀은 국제 연구팀과 공동으로 3차원 탄소 구조 T-탄소(T-carbon) 합성에 성공하였다. 이는 T-탄소가 흑연 및 금강석과 겨룰 수 있는 탄소의 또 다른 일종의 3차원 새구조가 되었음을 의미한다. T-탄소는 중국과학원대학 물리학원 교수 쑤강(蘇剛) 연구팀이 이론 계산을 통하여 예측한 3차원 탄소 구조이다. 탄소 원자는 아주 신기한바 세계에서 가장 유연한 광물질인 흑연을 구성할 수 있을 뿐만 아니라 자연계에서 경도가 가장 높은 금강석을 구성할 수 있다. T-탄소는 성긴 구조의 탄소 재료로서 내부에 아주 큰 이용 가능한 공간을 보유하고 있기에 에너지 저장 재료로 사용하면 수소 저장 능력의 중량 백분비는 7.7%보다 높다. 그러므로 T-탄소는 광촉매, 흡착, 에너지 저장, 항공우주 재료 등 분야에서 광범위한 응용 전망을 가지고 있다. 1980년대부터 탄소의 새로운 구조 연구가 활발히 진행되어 왔으며 해당 연구에서 두 차례의 노벨상이 탄생되었다. 이는 화학, 물리, 재료 및 정보과학 등 관련 분야에 거대한 영향을 일으켰을 뿐만 아니라 산업 및 기술에서의 대량 응용을 추진하였다. 해당 구조를 기반으로 많은 새로운 유도체를 합성하였으며 또한 새로운 기능 소자 및 관련 제품을 제조하였다. 탄소원자에는 4개 원자가전자가 있으며 궤도 혼성화(고유의 일부분 에너지가 비슷한 원자 궤도가 재조합되어 새로운 원자 궤도를 형성)가 발생한 후 아주 강한 자체 및 기타 원소와의 결합 능력을 보유하고 있다. 탄소는 sp2 혼성화 그래핀, sp3 혼성화 그래다인(Graphdiyne), sp-sp3 혼성화 금강석 알킨(Diamond alkyne)을 형성할 수 있다. 탄소는 기타 원소와 결합되어 DNA, 단백질 및 기타 중요한 생물 대분자를 구성할 수 있기에 지구에서 생명을 구성하는 가장 기본적인 원소이다. 2011년 쑤강은 박사연구생 성셴레이(勝獻雷) 등을 이끌고 대량의 비교 연구를 진행한 후 만약 입방 구조 금강석의 매개 탄소 원자를 1개의 4개 탄소 원자로 구성된 정사면체 구조 유닛으로 대체하면 새로운 탄소 3차원 입방 결정체 구조를 형성할 수 있다고 제안하였다. 밀도 범함수의 제1원리를 기반으로 연구한 결과, 해당 구조는 기하, 에너지 및 동역학 측면에서 아주 안정하였다. 연구팀은 해당 탄소의 새로운 동질이형체를 T-탄소라고 명명하였다. 연구 결과, T-탄소는 금강석과 동일한 공간군을 보유하고 직접 밴드 갭을 함유한 반도체로서 도핑을 거쳐 밴드 갭을 조절하여 광촉매로 사용할 수 있다. T-탄소는 또한 밀도가 아주 작은(흑연 밀도의 2/3, 금강석 밀도의 1/2) 특수한 성질을 보유하고 있다. 컴퓨팅결과, T-탄소는 부압(Negative pressure) 환경에서 더욱 쉽게 형성될 수 있음을 발견하였다. T-탄소를 가능하게 우주의 성간티끌(Interstellar dust) 혹은 태양계 외행성에서 관측할 수 있다. T-탄소의 발견은 탄소 구조 연구의 새시대를 개척하였으며 광범위한 이론 및 실험 연구를 추진할 전망이다. 2017년 연초 시안(西安)교통대학 및 싱가포르 난양공대(Nanyang Technology University) 연합 연구팀은 피코초 레이저로 메탄올 용액에 현탁되어 있는 다중벽 탄소나노튜브에 대한 조사(Irradiation)를 통하여 열역학적 평형 상태를 아주 크게 이탈한 조건에서 sp2에서 sp3으로의 화학결합 전환에 성공하였으며 합성된 새로운 탄소재료는 이론적으로 예측한 T-탄소와 완전히 일치하여 T-탄소의 합성이 입증되었다. 관련 T-탄소 합성 실험 결과는 최근 “Nature Communications”에 게재된다. 정보출처 : http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2017/11/395043.shtm |
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