나노튜브 탄생

단일벽 탄소 나노 튜브들은 매력적인 특성들을 가지고 성장된다. 특히, 고속으로 전기를 전도하는 능력은 나노 크기 트랜지스터로 이용하기에 매력적이다. 그러나, 이런 특성들은 그들의 구조에 의존하고, 나노 튜브가 막 형성되기 시작할 때 결정된다.

나노 튜브가 어떻게 형성되는지 영향을 주는 요소들에 대해 이해하기 위하여, 국립 표준 기술 연구소 (National Institute of Standards and Technology; NIST), 메릴랜드 대학 및 텍사스 A&M의 연구팀은 나노 튜브들이 수 개의 원자들일 때를 영상화하는데 성공하였다. 이러한 나노 튜브 “베이비 사진들”은 나노튜브들이 어떻게 시작하고 성장하는지에 대한 중요한 정보를 준다. 이는 잠재적으로 과학자들에게 그들이 원하는 특성들을 가지는 나노 튜브들을 집단으로 만드는 길을 보여줄 것이다. 연구의 결과는 나노 레터(Nano Letters)지 온라인에 게재되었다.

탄소 나노튜브들이 어떻게 성장하는지와 어떻게 원하는 것으로 성장하는지를 더 잘 이해하기 위하여 핵생성이라고 불리는 성장 프로세스의 초기 단계를 이해해야만 한다. 이를 위하여, 발생된 사건 순서대로 핵생성 프로세스를 이미지화할 수 있어야만 한다. 그러나, 매우 빠르게 고해상도 사진들을 찍어야 한다는 의미하는 이 프로세스는 작은 수의 빠르게 움직이는 원자들을 포함하고 있기 때문에 매우 어렵다.

빠르고, 고해상도 카메라들이 고가이기 때문에, NIST 과학자들은 대신에 환경 주사 투과 전자 현미경 (environmental scanning transmission electron microscope) 내에 압력을 낮게 함으로써 성장을 느리게 하였다. 고열 및 저압의 현미경 챔버 내에서 연구팀은 탄소원자들이 부착되고 그라핀으로 형성되며 이 나노입자들을 둥글게 둘러싸고 나노튜브들로 성장하기 시작하는 코발트 카바이드의 1.2나노미터 비트들 위로 떨어지는 아세틸렌으로부터 발생된 탄소 원자들을 관찰하였다.

연구팀을 이끄는 NIST의 화학자 레누 샤르마(Renu Sharma) 박사는 “우리의 관찰들은 탄소 원자들이 탄소 원자들과 얽힌 면들이 아니라 코발트 카바이드 나노 입자의 순금속 면들에만 부착되었다는 것을 보였다. 이후 급성장하는 튜브는 닫힌 캡을 형성하면서 부착된 다른 순금속 표면에서 발견될 때까지 코발트-탄소 면 위에 성장하였다. 탄소 원자들은 튜브의 길이를 늘이고, 일종의 탄소 조립 라인에서 캡 방향을 따라 전에 형성된 그라핀을 누르면서 코발트 측면들에 부착하기 시작하였다. 이러한 전체 프로세스는 오직 몇 초만에 이루어졌다”고 말했다.

샤르마 연구원에 따르면, 탄소 원자들은 코발트 카바이드 나노 입자들의 표면 상에 그라핀을 형성하는 것처럼 활발하게 가장 선호하는 모습을 찾는다. 그라핀이 대부분 육각형, 벌집 모양의 구조를 가지는 반면에, 나노 입자들의 형태는 탄소 원자들의 벌집 격자 내의 오각형 형태로 배열하게 한다. 결정적으로, 이러한 그라핀 구조에서의 오각형 불규칙들은 그라핀이 곡선화하고 나노튜브가 형성되게 하는 것이다.

나노 입자들의 면들도 나노튜브들의 직경, 분자 비대칭성, 트위스트 각도에서 결정적인 역할을 하는 것으로 보이기 때문에, 연구팀의 다음 단계는 나노튜브들이 성장함에 따른 나노튜브들의 분자 비대칭성을 측정하는 것이다. 또한, 연구팀은 나노 입자들이 튜브들의 분자 비대칭성 및 직경에 어떻게 영향을 미치는지 알기 위하여 접착 특성을 연구하는 서로 다른 측면들을 가지는 금속 나노 입자들의 사용을 계획하고 있다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 나노튜브 탄생