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난장이가 쏘아올린 작은 공, 풀러렌 - 탄소(C) - 목록

조회 : 10763 | 2011-11-01

아~ 다이아몬드
1772년, 광장에는 수많은 사람들이 모여 있었다. 라부아지에(1743~1794)가 햇빛으로 다이아몬드를 태운다는 연소 실험의 소문이 널리 퍼졌기 때문이었다. 그는 수많은 사람들이 지켜보는 가운데 커다란 볼록렌즈를 설치한 장치로 햇빛을 다이아몬드에 내리쬐기 시작했다. 잠시 후 연기가 피어오르더니 다이아몬드는 거짓말처럼 사라지고 말았다.










라부아지에의 다이아몬드 연소 실험





‘정복되지 않는다’는 뜻의 ‘아다마스(adamas)’에서 유래한 다이아몬드도 뜨거운 햇빛에는 견딜 수 없었던 것이다. 다이아몬드는 연필심 재료인 흑연처럼 탄소 화합물이다. 지상에 탄소의 양은 많지는 않지만 생명체, 연료, 플라스틱 등에 널리 분포되어 있다. 특히 탄소를 포함하는 화합물의 종류는 수천 만 개로 셀 수 없을 정도로 많다.










연필심과 다이아몬드는 같다?




다이아몬드와 흑연
1959년, 파인만(1918∼1988)은 ‘원자 수준에서 물질을 조절함으로써 현미경으로 관찰 가능한 작은 부속들을 만들 수 있을 것’으로 예상하였다. 1981년, 비니히(1947∼)와 로레르(1933∼)는 새로운 원자 현미경을 개발했다. 물질을 원자 수준에서 조작하며 탐구할 수 있게 된 것이다. 어떤 물질을 탐구할 것인가? 그 시작은 탄소였다.










다이아몬드와 흑연의 구조





1990년대 이전에 알려진 탄소의 동소체는 다이아몬드와 흑연, 그리고 숯이었다. 이들은 구조가 다르기 때문에 모양과 색깔, 굳기 등이 매우 다르다. 다이아몬드는 탄소 원자들이 정사면체의 꼭짓점을 차지하면서 서로 연결된다. 반면에 흑연은 육각형으로 연결된 탄소 층들이 벽돌처럼 차곡차곡 쌓여 있다. 숯은 이들이 뒤섞여있다. 이러한 차이로 인해 나타나는 가장 큰 특징은 전기전도도이다. 다이아몬드에서 탄소에 있는 전자들은 강하게 묶여 있는 절연체이지만, 흑연은 일부 전자가 자유롭게 이동하는 도체이다. 같은 탄소 화합물이지만 완전히 다른 물질인 것이다.




윈-윈 게임, 원자량
멘델레예프(1834~1907)는 원소들을 원자량에 따라 배열한 주기율표를 만들었다. 하나의 원자는 너무 가볍기 때문에 측정할 수 없었다. 따라서 특정한 원자를 기준으로 상대적으로 정한 원자량은 어떻게 결정된 것일까? 돌턴(1766~1844)은 가장 가벼운 수소를 1 g으로 정하였다. 그러나 수소나 산소 등은 돌턴이 생각한 원자가 아니라 두 개의 원자가 결합한 분자였기 때문에 원자량이 정확하지 않았다. 돌턴은 물의 화학식이 H2O가 아니라 수소와 산소가 간단하게 결합한 HO로 여겼다. 그는 아보가드로(1776~1856)의 분자설을 인정하지 않았다. 이러한 이유로 인해 아세트산의 화학식은 무려 19 개나 보고될 정도였다. 1860년, 카니차로(1826~1910)는 같은 부피 안의 기체 입자 수는 같다는 아보가드로의 가설을 다시 주장했다. 이 가설에 맞다면 기체의 상대 질량으로부터 원자량을 계산할 수 있었다. 즉, 1 L의 수소와 산소의 질량은 0.090 g : 1.428 g이므로 1 : 15.87이므로 산소의 원자량은 약 16 g인 것이다. 1938년, 국제원자량위원회는 다양한 화합물을 형성하는 산소를 기준으로 원자량을 결정했다. 그러나 자연계에는 3종의 동위원소 질량수가 16, 17, 18인 산소가 일정한 비율로 섞여 있었다. 화학자들은 산소의 평균 원자량을 16.0000으로 정했지만, 물리학자들은 가장 많은 질량수가 16인 산소를 16.0000을 사용하였다. 초기에는 이로 인한 문제가 거의 없었지만, 정밀한 연구가 진행되면서 통일의 필요성을 느꼈지만 그들은 서로 물러서지 않았다. 마침내 1961년, 국제원자량위원회는 질량수 12인 탄소의 원자량 12를 정하여 국제원자량을 결정하였다. 이것은 하나의 동위원소를 기준으로 해야 한다는 물리학자들을 만족시켰다. 이 경우 산소의 평균원자량으로 정한 원자량과 큰 차이가 없었기에 화학자들도 동의하여 오늘에 이르고 있는 것이다. 이 기준에 의하면 산소의 평균 원자량은 15.9994이다.




풀러렌의 발견
또 다른 탄소 화합물은 없을까? 별들 사이의 물질을 연구하던 스몰리(1943∼2005)는 우연히 탄소 60 개로 구성된 화합물을 발견했다. 그는 컬(1933∼)과 크로토(1939∼)와 함께 연구를 시작했으며, 3개월 후 이것을 합성했다. 과연 60개의 탄소 원자들은 어떻게 연결되어 있을까?










지오데식 돔 형태의 몬트리올 엑스포 박람회 건물





스몰리에게 떠오른 영감은 몬트리올 엑스포 박람회 건물이었다. 그는 새로운 물질의 구조는 꼭짓점이 60개인 축구공과 같을 것으로 확신했다. 1991년, 마침내 그 구조가 확인되었다. 그들은 노벨상을 받았으며 스몰리는 이 건축물을 고안한 풀러(1895~1983)의 이름에서 탄소가 60개인 화합물을 풀러렌이라 불렀다. 축구공처럼 속이 텅 빈 풀러렌의 발견으로 전 세계 과학자들은 열광했다. 예를 들어 풀러렌 안에 항암제를 넣은 후 특정한 암세포만을 공격할 수 있는 약물을 전달할 수도 있다. 금속과 반응한 풀러렌은 초전도 현상을 나타내었으며 촉매나 센서로도 활용할 수 있었다.










풀러렌의 구조와 축구




스몰리와 친구들
나노시대를 알리는 풀러렌의 발견으로 스몰리는 노벨상의 영광을 안았지만, 그는 친구인 크로토를 잃었다. 풀러렌의 구조를 해석한 것은 스몰리의 아이디어였으나, 크로토는 자신의 공로를 주장했던 것이다. 결국 둘은 이 일로 결별하고 말았다. 또한 그는 노벨상과 관련해 로비설에 휩싸이기도 했다. 풀러렌은 그 자체로 폭발적인 관심을 끌었기 때문에 노벨상 수상은 확정적이었다. 그럼에도 불구하고 그는 많은 과학자들에게 자신의 업적을 홍보했다. 이런 그의 적극성이 로비설로 확산되었던 것이다.










스몰리와 크로토




나노란?
‘난쟁이’를 뜻하는 나노(nano)는 십억 분의 일(1/109)을 말한다. 1 나노미터(nm)는 10-9 m이며, 탄소 원자 여섯 개를 일렬로 늘어놓은 길이와 비슷하다. 나노기술이란 100 nm 이하 크기의 물질이나 일정한 기능을 갖는 장치를 만드는 기술을 의미한다. 나노 입자는 표면적이 매우 넓기 때문에 특이한 현상이 나타난다. 노란색의 금 덩어리와는 달리 금 나노 입자는 입자의 크기에 따라 색깔이 다양하게 나타난다. 이처럼 같은 물질이라도 입자의 크기에 따라서 특성이 전혀 다른 것이다. 이러한 나노기술의 시작은 풀러렌이었다.




탄소나노튜브
1991년, 풀러렌을 연구하던 이지마(1939∼)는 풀러렌과 비슷하지만, 기다란 대롱처럼 생긴 새로운 탄소나노튜브(CNT)를 발견했다. 이 구조는 하나의 흑연 층이 둥글게 말려진 것과 같은 형태이다.





탄소나노튜브의 분자구조




탄소나노튜브는 풀러렌처럼 전기가 통하며, 흑연 층이 말리는 각도와 튜브의 지름에 따라서 성질이 다르다. 예를 들어 armchair 구조는 도체이지만, zigzag 구조는 반도체이다. 또한 도체인 armchair 구조도 다발로 뭉쳐 있으면 반도체가 된다. 이를 이용하면 실리콘 반도체보다 성능이 우수한 반도체를 만들 수도 있는 것이다.










도체와 반도체 성질을 나타내는 탄소나노튜브




우주 엘리베이터
‘2018년, 우주 엘리베이터가 첫 운행을 시작한다.’ 나사(NASA)는 우주 엘리베이터 건설 프로젝트를 추진 중이다. 우주 엘리베이터는 지금처럼 우주선을 발사하는 것이 아니라 지상과 우주 정거장을 케이블로 연결하여 엘리베이터처럼 우주에 물건을 운송하자는 것이다. 아서 클라크(1917~2008)의 미래소설 ‘천국의 분수’에 소개된 우주 엘리베이터는 관심을 끌었지만 현실화될 것으로 믿기는 어려웠다. 그러나 과학자들은 강철보다 수백 배 이상 강한 탄소나노튜브를 이용하면 기술적으로 가능할 것으로 믿고 있다. 과연 버튼 하나로 엘리베이터를 타고 우주로 갈 수 있을까?










우주 엘리베이터의 개념도 / 위키백과(www.wikipedia.org)




늘어나는 탄소형제, 그래핀
2004년, 가임(1958~)과 노보셀로프(1973~)는 꿈의 신소재라 불리는 그래핀을 흑연에서 분리했다. 그래핀은 흑연의 탄소 층에서 한 겹만을 따로 분리해낸 것이다. 어떻게 분리했을까? 그들은 특이한 성질을 나타낼 것으로 예상된 그래핀의 분리를 시도했다. 그들은 스카치테이프를 흑연에 붙였다 떼어낸 후 실리콘 기판에 얹고 손으로 살짝 문질렀다. 그래핀이 최초로 분리되는 순간이었다. 지금까지는 그래핀과 같은 2차원 결정은 따로 존재할 수 없다고 믿었기 때문에 간단하지만 이전까지 그 누구도 시도한 적이 없었던 것이다. 이 공로로 그들은 2010년 노벨상을 수상했다.










그래핀의 구조





그래핀은 실리콘보다 전자가 빨리 이동하며 휘거나 비틀어도 부서지지 않는다. 그래핀을 이용하면 초고성능 반도체와 종이처럼 얇은 모니터, 컴퓨터 등이 반드시 꿈은 아니다. 종이처럼 얇은 초고성능 컴퓨터가 우리 곁에 다가올 날이 가까이 오고 있다. 풀러렌, 탄소나노튜브, 그래핀 등의 발견과 같은 끓임 없는 도전은 새로운 나노시대를 예고하고 있는 것이다.




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물질 ,화합물
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