자성을 띠는 탄소 물질 개발 성공

■ 자성을 띠는 탄소 물질 개발 성공

 

울산과학기술원(UNIST) 연구진이 자성을 띠는 탄소 물질 개발에 성공했다. 백종범. 유정우. 박노정 교수 공동 연구팀은 탄소 물질(유기물)이 상자성 (외부 강력한 자기장 영향으로 자성을 갖게 되는 성질)을 갖도록 합성하는 데 성공했다고 2019년 08월 14일 밝혔다. 물질의 자기적 성질은 원자 속 전자의 자전 운동인 스핀(spin)에 의해 결정된다. 스핀 방향이 외부 자기장 방향과 일치할 때 일반적인 자석의 성질이 나타난다.

 

그러나, 탄소 원자들이 육각형으로 잘 정렬된 그래핀(graphene)에서는 스핀 방향과 외부 자기장 방향이 서로 반대여서 일반적인 자성이 나타나지 않는다. 그런데, 이번에 연구진이 개발한 합성법을 이용하면, 그래핀과 유사한 구조의 탄소 물질이 상자성을 띠게 만들 수 있다. 탄소 물질의 합성 온도를 낮추면서 대량 합성에 성공한 방식이어서 다방면에 응용할 수 있을 전망이다.

 

연구진은 물질을 합성할 재료로 '아세틸기(acetyl基)가 달린 단량체'를 써서 비교적 낮은 온도(500도)에서 반응을 유도, '2차원 탄소 박막'(graphitic carbon nanosheets)을 대량으로 합성했다. 이때 탈수 반응(수소와 산소를 제거하는 반응)과 탄화 반응(다른 원자를 탄소로 치환하는 반응)이 동시에 진행됐다. 그 결과로 탄소 구조체 내부에 구멍 형태의 결함이 나타났고, 이 결함이 외부 자기장을 받고 자성을 띤 것이다.

 

백종범 교수는 "그동안 탄소 물질의 자성 연구는 이론이나 계산 연구에 초점에 맞춰졌으나, 이번 연구는 이론적 계산과 실증을 병행함으로써 탄소 물질 결함이 자성과 어떤 연관이 있는지에 대한 문제를 근본적으로 해결하는 실마리를 제공할 것"이라면서 "MRI 조영제로 유기물을 이용하는 연구, 합성 물질에 구멍이 많다는 점을 이용한 흡착 물질과 전극 재료 연구 등 다방면에 활용이 가능할 것"이라고 기대했다. 이번 연구는 화학 분야 국제 학술지인 앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition) 2019년 08월 12일자에 게재됐다.