워싱턴 대학(University of Washington)의 연구진은 원자 및 분자와 탄소 표면 간의 상호작용을 매우 정밀하게 측정할 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 이런 탄소 표면은 배터리 전극과 공기 필터에 사용되고 있고, 이 연구결과는 이런 기술 분야의 향상에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 

David Cobden 교수가 이끄는 이번 연구진은 가스 원자들이 나노튜브 표면과 접촉할 때 무슨 일이 발생하는지를 조사하기 위해서 트랜지스터로서 활용되는 탄소 나노튜브를 사용했다. 탄소 나노튜브는 빨대보다 백만 배 더 얇은 중공 흑연 구조를 가지고 있다. 이 연구결과는 저널 Nature Physics에 게재되었다. 

단일벽 탄소 나노튜브는 매끄러운 원통형 흑연 표면으로 구성되어 있고, 2차원에서 원자 및 분자의 물리적 특성을 조사하기 위한 이상적인 흡수 기판이다. 매달려 있는 나노튜브는 트랜지스터로 만들어질 때, 기계적 공진의 주파수 변화는 흡수된 질량을 단일 원자 수준 이하로 정밀하게 측정할 수 있게 한다. 이번 연구진은 이것의 전기적 특성들이 흡수된 원자 및 분자에 의해서 변화될 수 있다는 것을 증명했다. 

이번 연구진은 원자 또는 분자가 나노튜브에 부착될 때 전자의 매우 작은 전하 부분이 나노튜브의 표면으로 전달된다는 것을 발견했다. 이것은 전기 저항에서 측정 가능한 변화를 초래한다. “표면과 상호작용하는 원자의 이러한 측면은 이전에는 명확하게 감지된 적이 없었다”고 Cobden은 말했다. “많은 원자들이 동시에 아주 작은 튜브에 부착될 때, 이런 측정들로 물의 끓는 것과 유사한 큰 요동을 가진 집단적인 댄스(collective dance)가 존재한다는 것을 밝혔다”고 David Cobden 교수가 말했다. 

리튬 배터리는 탄소 전극에 전하들을 전달하고 부착되는 리튬 원자들을 포함하고, 활성탄 필터(charcoal filter)의 경우에 제거된 분자들이 탄소 표면에 부착된다. “나노튜브를 포함하는 다양한 형태의 탄소들은 연료 분자들이 부착하도록 큰 내부 표면적을 가지기 때문에 수소 또는 다른 연료 저장 분야에 적용이 고려되고 있다. 그러나 이런 기술적인 환경들이 지극히 복잡하고, 정밀하고 명확한 측정을 수행하기가 어렵다”고 David Cobden 교수가 말했다. 

이 연구는 이런 상호작용에 대한 가장 정확하고 제어된 측정을 제시했다. 그리고 과학자들이 탄소 표면을 가진 원자 및 분자의 상호 작용에 대한 새로운 것을 배울 수 있게 할 것이다. 이 연구결과는 배터리, 전극, 공기 필터 등의 기술을 향상시키는데 중요한 역할을 할 것이다. 이 연구결과는 저널 Nature Physics에 “Surface electron perturbations and the collective behaviour of atoms adsorbed on a cylinder”라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/nphys3302). 

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』