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더 얇은 탄소 나노튜브를 제조할 ....

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스페인, 칠레, 쿠바의 연구진은 약 3.2A의 외부 지름을 가진 탄소 나노튜브가 구속 없이 존재할 수 있고 1000K까지의 온도에서 안정적이라는 사실을 증명했다. 이 연구결과는 심지어 더 얇은 탄소 나노튜브를 만들 수 있게 한다. 

이 탄소 나노튜브는 3옹스트롬(A) 또는 0.3nm의 지름을 가진다. 원자들을 뭉치게 하는 결합이 이런 크기에서 왜곡되고 충돌되기 때문에 3A 이하의 지름을 가진 초박막 탄소 나노튜브가 불안정하다고 일반적으로 알려져 있다. 지금까지, 4A 이하의 매우 얇은 탄소 나노튜브는 더 두꺼운 탄소 나노튜브 속에 구속될 때에만 발견되었다. 마드리드 자치대학(Autonomous University of Madrid), 칠레 대학(University of Chile), 아바나 대학(University of Havana)의 연구진은 이 연구결과를 Physical Review Letters에 게재했다. 더 두꺼운 탄소 나노튜브 속에 구속된 3옹스트롬의 두께를 가진 탄소 나노튜브가 존재한다. 이 탄소 나노튜브는 이제까지 발견된 탄소 나노튜브 중에 가장 얇다. 

과학자들이 설명한 대로, 그들이 조사했던 초박막 탄소 나노튜브는 이것의 키랄성에 의해 정의된 대로 특정 방향으로 잘라지고 싸여져서 그래핀 시트로 만들어진 탄소 나노튜브의 이완(결합-파괴)을 초래한다. 이런 경우에, 원래 탄소 나노튜브는 2A의 지름을 가진 키랄성(2,1)을 가지고 불안정하다. 

탄소 나노튜브의 특정 결합을 부숨으로써, 연구진은 이런 구조가 진공 속에서 안정적이고, 3.2A의 두께를 가진다는 것을 이론적으로 증명했다. 부서진 결합 때문에, 새로운 탄소 나노튜브는 각각 8개 원자와 10개의 원자로 만들어진 링으로 구성된다. 연구진은 10개의 원자 링으로 구성된 이 구조를 CNT10R이라고 불렀다. 

시뮬레이션 결과로 더 작은 링을 가진 10개의 원자 링이 단일, 이중, 삼중 결합을 대체함으로써 DNA의 구조와 유사한 이중 헬릭스 구조를 형성한다는 것을 증명했다. 양자 ESPRESSO 소프트웨어를 사용해서, 과학자들은 새로운 나노튜브의 광학적 및 전기적 성질을 계산했는데, 이것은 기존의 탄소 나노튜브, 나노리본, 그래핀 시트의 것과는 상당히 다르다. 실제로, CNT10R의 성질은 선형 탄소 사슬의 것과 닮았는데, 이것은 이 구조가 쌍정 사슬의 쌍일 것이라는 것을 보여준다. 

잘 알려진 나노튜브는 벌집 격자(그래핀)의 형상을 가진다. 가장 작은 링은 6개의 원자들로 구성되었다. 이 구조는 기공과 다른 결합을 가지지만, 소수의 원자들로 구성되기 때문에 일반적인 에너지 증가를 가진다. CNT10R은 6개 원자로 구성된 링을 가지지 않고, 주기적이고 안정적이다. 이것은 모든 종류의 결합을 가질 수 있다. IR과 라만 스펙트럼은 기존의 탄소 나노튜브와 그래핀과는 굉장히 다르다. 삼중 결합은 탄소 구조에서 빈번하게 일어나지 않는다. 삼중 결합의 존재는 다른 탄소 나노튜브에서 가능하지 않는 특정 화학적 반응을 촉진할 수 있다. 

이런 성질들을 아는 것은 새로운 구조를 발견하거나 합성하는데 향후에 도움을 줄 수 있을 것이다. 합성을 위한 한 가지 가능한 방법은 더 큰 탄소 나노튜브 속에 구조를 성장시키는 것인데, 이것은 자유롭게 서 있는 탄소 나노튜브를 성장시키는 것보다 더 기술적으로 타당할 수 있다. 

합성을 통해서 탄소 나노튜브가 독립적으로 존재할 수 있게 하지만 기존의 기술로는 가능하지 않았다. 그러나 이번 연구진이 개발한 관형 구조를 현미경으로 관찰하면 연구진의 예측과 유사한 형상을 가진다는 것이 확인되었다. 이 연구결과는 저널 Physical Review Letters에 “Ultrathin Carbon Nanotube With Single, Double, and Triple Bonds”라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.105501). 

그림. (상) 3.2A 두께를 가진 CNT10R 나노튜브의 정면도 및 측면도, (하) 파괴된 결합의 구조도(점선으로 나타냄). [이 게시물은 최고관리자님에 의해 2013-04-04 22:11:44 Free Board에서 이동 됨]

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