카르빈

카르빈이 그래핀과 다이아몬드 보다 강한 물질로 밝혀졌다 ⓒRice univ.

카르빈(carbyne)은 다이아몬드나 그래핀(Graphene)보다 더 강한 탄소복합물질로 '꿈의 소재'이다. 카르빈은 완전하게 확정되지 않은 새 변형으로 나타난 원소 탄소의 형태이며 그 안에서 카르빈 원자는 단일 결합과 삼중 결합을 교대로 가진 선형 사슬로 연결되어 있다.

카르빈이 누르는 힘을 견디는 정도인 강도 조사에서 천연물인 다이아몬드의 3배, '슈퍼물질'로 불리는 그래핀이나 탄소나노튜브 보다는 2배의 인장 강도를 갖고 있는 것으로 나타났다. 카르빈은 강도 외에도 다양한 물질적 장점을 갖고 있어 유연성은 폴리머와 DNA의 중간 정도로 나타났다.

개요

카르빈은 세상에서 가장 강한 물질로 탄소원자가 교차 삼중과 단일결합 또는 연속적 이중 결합 형태로 이어진 체인 모양이다. 자연적으로 형성된 경우 순간적으로 매우 강한 압력이 작용하는 운석 등에서 발견된다. 일부 과학자들은 카르빈을 합성하는 데 성공했지만 매우 불안정한 것으로 알려졌다. 지금까지 합성된 카르빈의 크기는 대략 14㎚ 정도이다.

카르빈은 대량 생산만 되면 독특한 기계적, 전기적 특성으로 광학, 전자기기, 나노시스템의 소재 개발에 큰 역할을 할 것으로 기대된다.

역사

카르빈의 유연성은 폴리머와 이중가닥 DNA의 중간 값 정도를 가지고 있는 것으로 나타났다 ⓒRice univ.

과학자들이 카르빈의 존재를 파악하기 시작한 것은 19세기 무렵이다. 자연에서 발견된 카르빈은 대부분 순간적으로 매우 강한 압력이 작용하여 형성된 운석이나 압축 흑연 등에서 발견됐다. 합성 카르빈의 경우는 1960년대에 접어들면서 소련에서 처음 합성에 성공했다.

그러나 합성 카르빈이 만들어진 당시에는 극소수의 과학자들만이 합성에 성공했을 정도로 공정이 까다로왔고, 또한 합성에 성공했어도 매우 불안정한 상태로 존재했기 때문에 그동안 실험실에서만 소량으로만 만들어져 왔다. 지금까지 합성된 카르빈의 크기는 대략 14㎚ 정도인 것으로 알려져 있다.

그런데 라이스대 연구진이 지난 2011년부터 카르빈에 대한 연구를 진행하면서, 이 탄소복합물질의 강도와 경도가 놀라운 정도로 높은 수치를 보이고 있음을 시뮬레이션을 통해 파악했고, 그 정도가 지금까지 발견된 어떤 물질보다도 높은 수치라는 것을 밝혀냈다.

연구진은 또 카르빈이 유연성에 있어 폴리머와 이중가닥 DNA의 중간 값 정도를 가지는 등 강도 외에도 다양한 물질적 장점을 갖고 있다는 것을 발견했다. 또 최근 실험을 통해 카르빈이 실온에서 합성될 수 있으며 구조적으로도 안정화될 수 있다는 점을 확인했다.

카르빈 용도

그물 형태의 카르빈 체인에 수소가 흡착되어 있는 모습 ⓒRice univ.

탄소는 지금까지 세상에서 가장 강한 물질들을 구성해왔다. 대표적인 물질인 다이아몬드는 오래 전부터 강도가 높다는 점은 익히 알려진 사실이다. 최근에는 다른 탄소 구조체인 그래핀이 강도 외에도 전자기적 특성으로 주목을 받아 왔다.

그런데 카르빈은 같은 탄소로 이루어진 물질이면서도 다이아몬드나 그래핀과는 다르게 탄소원자가 교차 삼중과 단일결합 또는 연속적 이중 결합 형태로 이어지면서 이들 물질보다 훨씬 더 강한 형태의 체인 모양을 이루고 있다.

라이스대의 보리스 야콥슨(Boris Yakobson) 교수와 라이스대에서 박사후 과정을 밟고 있는 바실리 아르튜크호프(Vasilii Artyukhov) 박사 등은 이와 같은 카르빈의 구조 및 물성을 기반으로 본격적인 연구를 시작했다.

연구를 막 시작했던 무렵을 회상한 아르튜크호프 박사는 "당시 연구진의 목표는 카르빈의 독특한 특성을 완벽히 파악하는 것이었다"며 "지금까지의 연구 결과만 놓고 본다면 카르빈의 특성은 적어도 변형에 안정적이라는 것"이라고 말했다.

이에 대한 증거로 야콥슨 교수와 연구진은 카르빈을 10% 정도 늘리게 되면 이 물질의 밴드갭(band gap)이 확연하게 변화되고, 여기에다 꽈주기까지 하면 90도 회전이 가능한 자기 반도체가 된다는 점을 제시했다.

야콥슨 교수는 "카르빈의 밴드갭이 비틀려졌을 때 매우 민감한 상태로 변했는데, 만약 카르빈을 비틀어 무엇인가에 연결하는 방법을 찾을 수만 있다면 우리는 이것을 자기장에 대한 센서로도 만들 수 있을 것"이라고 기대했다

관심을 끌 만한 또 하나의 발견은 카르빈이 상온에서 안정적이기 때문에 특히 에너지 저장을 위한 물질로 사용이 가능하다는 것을 파악한 점이었다.

지난 문헌들은 카르빈이 안정되지 못하다고 평가해 왔기 때문에, 연구진은 카르빈을 흡착에 좋은 다공성이며 불규칙한 그물 모양으로 변형했는데, 이는 그래핀 면적의 5배 정도까지 확장시킨 것으로 볼 수 있다.

최근 파악된 카르빈의 에너지 저장 능력에 대해 아르튜코프 박사는 "서로 꼬여진 그물 모양의 에너지 장벽이 에너지 저장을 가능하게 해준다"며 "에너지 저장 기능이야말로 카르빈의 최고 용도가 될 것"이라고 주장했다.

실제적으로 카르빈은 무공해 차량의 에너지원으로 여겨지고 있는 수소를 효율적으로 저장하는 물질로 각광을 받고 있는 것으로 나타났다.

수소의 경우 지금까지는 그래핀이나 플러렌과 같은 분자를 이용하여 많은 저장 연구가 진행됐지만, 물리적인 수착(sorption)을 위해서는 극저온이 요구되기 때문에 이를 차량에 적용하기에는 비실용적인 부분이 많았다.

그러나 카르빈의 경우에는 상온에서도 수소 저장이 가능하다는 장점 때문에, 그물 구조를 염두에 둔다면 이론적으로 차량의 약 50% 무게에 해당하는 수소를 저장할 수 있다는 것이 연구진의 설명이다.

참고자료

• 〈카르빈〉, 《화학대사전》
• 주영재 기자, 〈다이아몬드 보다 강한 신물질 카르빈〉, 《경향신문》, 2013-10-11
• 김준래 객원기자, 〈세상에서 가장 강한 물질 ‘카르빈’〉, 《사이언스타임즈》, 2014-02-10

같이 보기

• 그패핀
• 탄소나노튜브
• 다이아몬드
• 흑연
• 플러렌
• 삼중결합
• 이중결합
• 단일결합
• 에너지저장

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