벅민스터풀러렌 혁명은 결코 일어나지 않았지만 일부 연구자들은 풀러튜브(fullertubes)로 알려진 새로 발견된 탄소 결정의 특성을 열심히 탐구하고 있습니다.
새로 확인된 탄소 결정은 12개의 오각형과 짝수의 육각형이 닫힌 껍질을 형성할 수 있다는 기하학적 규칙을 충족합니다.
Quanta Magazine의 루스 야로
소개
탄소는 자연에서 가장 단단한 물질 중 하나로 배열되거나 너무 부드러워서 아이들이 종이에 흔적을 남길 수도 있습니다. 수십 년 전에 과학자들은 다이아몬드와 흑연 외에 탄소가 취할 수 있는 다른 결정 형태가 무엇인지 궁금해하기 시작했습니다.
1985년에 그들은 첫 번째 답을 얻었습니다. 한 화학자 그룹은 60개의 탄소 원자로 구성된 작고 속이 빈 구체를 발견했는데, 이를 줄여서 벅민스터풀러렌, 버키볼 또는 풀러렌이라고 불렀습니다. (결정은 건축가 R. Buckminster Fuller가 대중화한 측지 돔과 유사했습니다.) 연구자들이 가장 아름다운 분자라고 불리는 것의 특성과 응용을 발견하기 위해 경쟁하면서 나노미터 폭의 구체 주위에 새로운 화학 분야가 생겨났습니다.
더 큰 풀러렌이 발견되었습니다. 그 후 몇 년 후, 일본 물리학자 이이지마 수미오(Sumio Iijima)의 논문은 관련 탄소 형태에 대한 관심을 촉발시켰습니다. 처음에는 버키튜브라고 불렸지만 현재는 탄소 나노튜브로 알려져 있습니다. 즉, 화장지 튜브처럼 말려 있는 탄소 원자의 벌집 모양 격자로 만들어진 속이 빈 원통형입니다.
탄소 결정은 다른 어떤 원소와도 일치하지 않는 다양한 전기적, 화학적, 물리적 특성을 가지고 있었습니다. 버키볼의 발견자 중 세 명인 Robert Curl, Harold Kroto 및 Richard Smalley가 1996년 노벨 화학상을 수상하면서 탄소 나노과학에 대한 관심은 더욱 높아졌습니다. 그러다가 2004년에 물리학자 안드레 가임(Andre Geim)과 콘스탄틴 노보셀로프(Konstantin Novoselov)는 탄소 원자의 평평한 시트(그래핀으로 알려진 결정)를 분리하는 방법을 발견하여 그 이후로 계속해서 또 다른 폭발적인 연구를 촉발시켰고 2010년 물리학 노벨상을 수상했습니다.
최근 화학자들은 또 다른 유형의 탄소 결정을 발견했습니다. 이번에는 훨씬 적은 팡파르였습니다. 이 이야기를 위해 연락한 대부분의 탄소 전문가들은 아직 이에 대해 들어보지 못했습니다. 그리고 지금까지 전 세계 공급량은 아마도 집파리 한 줌 정도의 밀리그램에 달할 것입니다.
퍼듀 대학의 화학자인 스티븐 스티븐슨(Steven Stevenson)이 2020년에 발견한 탄소 결정의 일종인 풀러튜브(fullertube) 모델을 자랑스럽게 들고 있습니다.
Quanta Magazine의 루스 야로
이러한 최신 탄소 구조는 구형 풀러렌과 원통형 나노튜브 사이에 속합니다. 분자의 최초 발견자인 퍼듀 대학의 스티븐 스티븐슨(Steven Stevenson)과 협력하고 있는 버지니아 폴리테크닉 연구소 및 주립 대학의 화학자 해리 돈(Harry Dorn)에 따르면, 이것은 두 가지의 "나노 규모의 결합"으로 약 캡슐처럼 생겼다고 합니다. Stevenson과 Dorn은 이 결정체에 풀러튜브라는 이름을 붙였습니다.
풀러튜브는 풀러렌과 나노튜브의 최고의 기능을 결합합니다. 아니면 둘 다 최악입니다. 아니면 각각의 장점과 단점이 있을 수도 있습니다. 누구에게 물어보느냐에 따라 다릅니다. 그들의 속성이 어떻게 유용할지 여부는 아직 밝혀지지 않았습니다. 이곳은 Fullertubes의 유명한 탄소 친척들과 함께 전에도 가봤고 지금도 있는 곳입니다.
풀러튜브 채굴
풀러튜브 세계의 중심은 인디애나 주 퍼듀의 포트 웨인 캠퍼스에 있는 거실 크기의 화학 실험실입니다. 그곳에서 스티븐슨과 그의 소규모 학부생들은 새로 발견된 분자를 수집하고 분류합니다. 이 분자는 다양한 폭과 길이의 원통 끝에 있는 반구형 캡으로 구성되어 있습니다.
2020년에 스티븐슨과 공동 연구자들은 본질적으로 30원자 나노튜브 중앙부로 연결된 버키볼의 두 반쪽인 90원자 분자인 풀러튜브 제품군의 첫 번째 구성원을 발표했습니다. 그들은 각각 96개와 100개의 탄소 원자로 구성된 두 개의 더 큰 형제와 함께 분자를 발견했습니다.
올해 Stevenson과 Dorn은 120개의 탄소 원자로 구성된 두 개의 풀러 튜브를 더 설명했습니다. 그들의 연구에 따르면 알약 모양의 분자 중 더 좁은 것은 전기적으로 전도성이 있는 반면, 더 넓고 짧은 것은 – 흥미롭게도 – 반도체이며, 이는 잠재적으로 트랜지스터 및 기타 전자 장치에 사용될 수 있음을 보여줍니다. 풀러튜브는 또한 연구원들이 아직 탐구하고 있는 다양한 광학 및 인장 특성을 가지고 있습니다.
메릴 셔먼/Quanta 매거진
메릴 셔먼/Quanta 매거진
1985년 대학원생으로서 Curl과 Smalley와 협력하여 최초의 풀러렌을 분리하는 데 도움을 준 시애틀 시스템 생물학 연구소의 James Heath는 그와 그의 동료들이 처음에 풀러렌을 찾도록 이끈 동일한 기하학적 규칙, 즉 12개의 오각형과 짝수 개의 육각형이 닫힌 껍질을 형성할 수 있다는 규칙을 따르는 새로운 풀러튜브를 "사랑스러운 구조"라고 불렀습니다. (예를 들어 버키볼은 축구공과 동일한 육각형과 오각형 패턴을 가지고 있습니다. 풀러튜브는 육각형 벨트를 추가하면서 규칙을 유지합니다.)
이 분자는 오랫동안 풀러렌의 주요 공급원이었던 동일한 특수 탄소 그을음에 숨어 수년 동안 화학자들의 코앞에 있었습니다. 그러나 2020년에 스티븐슨은 마침내 훨씬 더 풍부한 풀러렌 중에서 관형 캡슐을 선택하는 방법을 알아냈습니다. 그가 말하는 "마법의" 과정은 "구형의 모든 것에 반응하여 튜브에서 공을 분리하는 것"입니다.
특수 그을음은 일반적으로 챔버 내부의 흑연 막대에서 탄소를 기화시켜 만들어집니다. 탄소 증기가 챔버 벽에서 냉각됨에 따라 대부분이 풀러렌으로 응축되지만 드물게 슬래그 산에 보석처럼 뿌려진 풀러튜브도 형성됩니다. 스티븐슨의 마술은 아민으로 알려진 수용성 분자에 의존합니다. 이들은 탄소 원자의 육각형 배열이 오각형 배열에 부착되는 장소, 즉 풀러렌 전체에 나타나는 교차점에 끌립니다. 반면, 나노튜브는 육각형만을 특징으로 하고 풀러튜브는 나노튜브 중앙부에 의해 아민으로부터 부분적으로 보호되기 때문에 아민에 매력적이지 않습니다. 따라서 아민이 풀러렌에 결합하여 물에 용해되는 반면, 반응하지 않은 풀러튜브는 불용성으로 남아 있습니다. 스티븐슨은 단순히 풀러렌을 헹구고 풀러튜브를 남겨둘 수 있습니다.
그런 다음 그는 질량과 미묘한 화학적 차이를 기반으로 분자를 분리하는 기계를 통해 풀러튜브가 풍부한 샘플을 실행하여 균일한 질량, 모양 및 특성을 가진 순수한 풀러튜브 컬렉션을 생성합니다.
풀러튜브 채굴 공정은 흑연 막대로 시작됩니다. 스티븐슨은 전기 아크가 탄소를 기화시켜 풀러렌과 풀러튜브를 형성하는 챔버에 막대를 놓습니다.
Quanta Magazine의 루스 야로
나노튜브를 연구하는 스위스 École Polytechnique Fédérale de Lausanne의 화학자 Ardemis Boghossian은 "Steve의 접근 방식은 확실히 매우 매력적인 것입니다."라고 말했습니다. "이것은 우리 분야에서 일반적으로 사용되지 않는 접근 방식입니다.... 그의 접근 방식이 좀 더 정확합니다."
전문가들은 풀러튜브의 순수하고 균일한 샘플을 분리하는 능력이 분자에 다른 방법보다 훨씬 더 매력을 준다고 말합니다. 풀러렌도 분리할 수 있지만 풀러튜브와 나노튜브를 전기 회로나 광 기반 센서의 구성 요소로 유망하게 만드는 전기적 및 광학적 특성이 부족합니다. 한편, 순도는 길이와 직경이 무작위로 뒤죽박죽된 튜브, 심지어 튜브 내에 중첩된 튜브를 사용하여 작업하는 나노튜브 연구자들에게는 단지 꿈일 뿐입니다. 그렇다면 풀러튜브가 사촌들을 가로막는 장애물을 극복할 수 있을까요?
버키볼에 무슨 일이 일어났나요?
1991년 Scientific American 기사에서 , Curl 및 Smalley는 새로운 탄소 기반 초전도체, 전자 제품 및 윤활유를 포함하여 벅민스터풀러렌의 혁신적인 응용을 상상했습니다. “대량 C60의 다양성은 매주 증가하는 것 같습니다.”라고 그들은 썼습니다.
5년이 지났습니다. Curl, Kroto 및 Smalley가 벅민스터풀러렌을 발견하여 화학상을 수상했다고 발표한 1996년 보도 자료에서 노벨상 위원회는 "실질적으로 유용한 응용 프로그램이 아직 만들어지지 않았습니다. 그러나 이는 거시적인 양의 풀러렌이 사용 가능하게 된 후 6년이 지나면 예상되지 않습니다."라고 썼습니다.
25년이 지난 지금, 처음에 기대했던 제품 중 어느 것도 시장에 출시되지 않았습니다. 버키볼을 상업적으로 접할 수 있는 몇 안 되는 곳은 항산화제로서 분자의 잠재력을 선전하는 화장품과 식이 보조제입니다. 그러나 두 제품 유형 모두 FDA 승인이 필요하지 않으며 여러 연구에서 버키볼에 독성 징후가 나타났습니다. (한 연구에서는 적어도 전리 방사선에 노출된 생쥐의 수명을 연장한다는 점에서 건강상의 이점을 뒷받침하는 것으로 보이며, 다른 연구에서는 생쥐의 수명 연장에 대한 이점이 발견되지 않았습니다.)
캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스의 물리학자인 Michael Crommie는 풀러렌이 주로 다른 탄소 결정의 길을 개척하는 데 중요한 역할을 한다고 보고 있습니다. “버키볼이 있었기 때문에 나노튜브가 탄생했고, 결국 그래핀이 탄생했습니다.”라고 그는 말했습니다.
나노튜브는 풀러렌보다 더 과학적, 상업적 성공을 거두었습니다. 도마뱀의 발이 미세한 털을 사용하는 것과 거의 같은 방식으로 접착을 위해 결정을 사용하는 "나노 테이프" 또는 "게코 테이프"에서 찾을 수 있는 철물점에서 구입할 수 있습니다. 나노튜브는 매우 강력하며 강철보다 훨씬 뛰어난 성능을 발휘할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 단, 누구도 초강력 케이블링을 위한 충분한 길이의 나노튜브를 만들지 못했습니다. 그럼에도 불구하고 나노튜브는 직물, 보트 선체, 고성능 차체 및 테니스 라켓에 혼합될 때 강도를 더해줍니다. 또한 물 여과 및 일부 배터리의 성능 향상에도 널리 사용됩니다.
그러나 이러한 응용에는 다양한 길이와 직경의 대량 나노튜브가 포함되는 반면, 정밀 나노센서와 같은 보다 획기적인 응용에는 서로 동일한 나노튜브가 필요합니다. 예를 들어, 서로 다른 나노튜브로 제작된 두 개의 센서는 동일한 자극에 다르게 반응합니다. 전자 제품이 예측 가능한 방식으로 작동하려면 균일한 구성 요소가 필요합니다.
기화 과정에서 생성된 탄소 그을음(왼쪽 위)은 액체 크로마토그래피 기계(오른쪽 위)를 통과하여 순수한 풀러튜브 샘플 바이알(아래)을 얻습니다.
Quanta Magazine의 루스 야로
Boghossian은 “우리는 실제로 나노튜브를 분리할 수 없습니다. Geim과 Novoselov가 그래핀을 발견한 것이 아니라 그래핀을 분리한 공로로 물리학상을 받은 것처럼 "순수한 나노튜브를 분리하는 쉬운 방법을 찾는 사람은 노벨상을 받을 수도 있습니다."
메릴랜드 대학의 YuHuang Wang과 같은 연구원들은 긴 나노튜브를 잘라내어 특정 길이를 생성하는 방법을 개발하고 있습니다. 이는 나노튜브 혼합으로 시작하여 이를 동일한 섹션 모음으로 변환하는 힘든 하향식 기술입니다. 다른 연구자들은 아래에서 위로, 원자별로 나노튜브를 구성하려고 시도하고 있지만 이 접근 방식은 결함이 있고 비용이 많이 듭니다.
균일한 단일층 시트를 갖춘 그래핀은 Crommie가 탄소 나노물질의 진정한 잠재력이 실현될 것이라고 믿는 곳입니다. 그의 견해로는 탄소 기반 전자 및 자기 장치를 만드는 가장 좋은 방법은 그래핀 리본을 유용한 모양으로 다듬는 것입니다. 그는 이 기술이 이미 실험실에서 복잡한 전자 장치를 만드는 데 사용되었다고 말합니다.
벅민스터풀러린의 발견자들(왼쪽부터), Sean O'Brien, Richard Smalley, Robert Curl, Harry Kroto 및 James Heath가 1985년 휴스턴 라이스 대학교 잔디밭에서 포즈를 취했습니다.
라이스 대학교 Smalley 나노규모 과학 및 기술 기록 연구소/UA 184/Woodsen 연구 센터/Fondren 도서관/라이스 대학교
Fullertubes를 위한 베이비 스텝
그렇다면 풀러튜브가 어떤 역할을 담당할 수 있을까요? 결정은 균일하고 도체 또는 반도체일 수 있기 때문에 Stevenson과 Dorn은 잠재적으로 나노 크기의 레고처럼 서로 연결되어 소형 전자 장치를 만들 수 있다고 상상합니다.
보고시안(Boghossian)은 나노튜브를 세포에 삽입하여 내부 환경을 연구합니다. 그녀는 나노튜브 형광에 의존합니다. 구조는 한 가지 색상의 빛을 흡수하고 다른 색상을 방출하며, 빛의 변화는 세포 상태에 대한 정보를 드러냅니다. 그러나 형광은 나노튜브의 구조에 따라 달라지며, 둘 사이의 차이로 인해 신호를 해석하기가 더 어려워집니다. 가장 짧은 풀러튜브는 형광을 발하지 않지만, 긴 튜브는 형광의 징후를 보입니다. 더 긴 풀러튜브가 더 강하게 형광을 발산한다면 그녀처럼 연구하는 데 도움이 될 수 있습니다. “광전자 공학 응용 분야에 많은 도움이 될 것이라고 생각합니다.”라고 그녀는 말했습니다.
2020년 이후 학술지 검색에 따르면 약 22,700편의 논문에서 풀러렌이 언급되었습니다. 나노튜브는 93,000개에 나타납니다. 그래핀을 검색하면 200,000개 이상의 인용이 나옵니다. 풀러튜브의 경우, 이 글을 쓰는 시점에서 관련 출판물의 역대 총 개수는 94개입니다.
시간이 지남에 따라 더 많은 연구자들이 풀러튜브로 도약할 수 있다고 Boghossian은 말합니다. 연구 결과가 나노튜브와 유사한 특성을 밝혀내고 정확한 길이의 추가 이점을 제공할 수 있다고 합니다. 하지만 그녀는 "사람들이 평생 동안 나노튜브(및 기타 탄소 형태)에 대해 연구해 왔기 때문에 어느 정도 적응이 필요할 것"이라고 말했습니다.
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