2010년, 과학계를 깜놀하게 한 엄청난 신소재가 세상에 모습을 드러내다
만약, 아인슈타인이 살아있었다면 이 물질을 보고 그는 과연 어떤 생각을 했을까요? 그가 상대성이론을 통해 남긴 마지막 수수께끼 "중력파" 의 실체가 101년 만에 풀려 전세계과학계가 흥분했던것처럼 또한번 아주 놀랄만한 물질이 발견되었습니다.
바로 "그래핀" 이라는 생소한 물질입니다.
그래핀(graphene)이란 무엇입니까?
그래핀은 탄소원자로 만들어진 물질입니다. 탄소는 놀랍게도 한 종류의 원소로 이루어졌으나 그 성질이 다른물질로 존재하는 "동소체" 를 가지고 있습니다.
동소체를 쉽게 예를들면, 탄소로 이루어진 물질중에 흑연(연필심)과 다이아몬드가 있습니다.
흑연은 불투명한 검은색이며 종이에 적을 수 있을 정도로 연하고, 다이아몬드는 투명하며 천연물중에 가장 단단한 물질입니다. 같은 탄소로 만들어진 물체인데 그 성질은 전혀 다르죠? 이것을 바로 "동소체" 라고 합니다.
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탄소로 이루어진 물질 그래핀의 놀라운 속성들
연필(4B와 같은것)로 글씨를 쓰다보면 볼펜과 달리 "아주 부드럽다" 라는 느낌을 받으셨을텐데요, 그것은 연필심(흑연)안의 탄소층이 매우 쉽게 깎이기 때문입니다.
그러나 그 층 안의 원자는 매우 단단히 결합되어있어 다이아몬드보다 강한데 이 흑연안에 있는 물질이 바로 "그래핀" 이라는 물질입니다.
1. 매우 강하고 딱딱하며,
2. 놀라울 정도로 얇고,
3. 거의 투명하고,
4. 매우 가볍고 신축성이 있으며,
5. 전기와 열 전도율이 가장 높으며,
6. 매우 특이한 전자속성도 있습니다.
너무나 얇은 물질에도 불구하고 그래핀은 강철보다 약 200배 강하고 현재까지 지구에서 발견된 물질중 가장 강한 물질로 알려져 있습니다.
그래핀의 신축성과 전기, 열 전도율
그래핀은 놀랍게도 마치 고무와같은 신축성이 있습니다. 원래 길이의 20 ~ 25 % 정도 늘릴 수 있는데 그 이유는 그래핀에 있는 탄소원자의 형태가 벌집모양과 같은 평평한육각형 형태로 이루어져 원자가 깨지지 않고 쉽게 휘어 질 수 있기 때문입니다.
이것은 "그물을 잡아당긴다고해도 그물 연결상태가 변하지 않는것" 과 마찬가지로 벌집모양의 빈공간이 충격을 완화시켜 보다 적은 저항성을 제공하기때문에 구리를 비롯, 초전도체와 같은 뛰어난 도체보다 전기를 더 잘 운반할 수 있게 해주는것이죠.
참고로 구리보다 100배 이상 전기가 잘통하며, 반도체 중요부품 "단결정실리콘" 보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수도 있습니다.
그리고 사람들이 잘 몰랐던 사실중에 그래핀발견 이전까지 최고의 열전도성을 지닌 물질은 구리가 아닌 "다이아몬드" 였는데요, 다이아몬드가 워낙 비싸다보니 값싼 구리가 상대적으로 많이 쓰였던거죠.
다이아몬드는 구리보다 5배 높은 열전도율을 자랑했지만 그래핀은 이런 다이아몬드보다 2배 높은 열전도율을 보유하고 있습니다.
그래핀의 이런 "꿈의 나노물질" 특성때문에 전세계 전자제품업체들이 입에 침을 질질~흘리며 연구에 연구를 거듭하고 있는데요, 결국 현재에 이르러 "휘어지는 스마트폰" 의 대량생산이 점점 임박해지고 있다는 소식도 들려오고 있습니다.
마치 "해리포터" 에서나 볼 수 있었던 "움짤그림" 과 "움짤신문" 등 마법같은 제품들이 그래핀이라는 소재를 통해 현실이 되어가고 있는거죠.
누가 그래핀을 발견하였습니까?
2004년, 영국의 과학자 안드레 가임(Andre Geim)과 콘스탄틴 노보셀로프(Konstantin Novoselov)가 영국 맨체스터 대학 실험실에서 세계최초로 그래핀을 발견하였습니다.
그들의 발견은 너무나 의외였는데요, 테이프를 사용하여 큰 흑연에 붙였다 떼었더니 테이프에서 예외적으로 얇은 "박편" 을 발견했습니다.
흑연 조각으로부터 층과 층을 계속해서 떼어내며 그들은 가능한 한 얇은 샘플을 생산해냈고 곧이어 그래핀을 발견할 수 있었습니다.
그들의 발견은 너무나 기괴하여 과학계의 반응은 회의적이었고 저명한 과학학술지 "네이처" 에서도 그들의 논문을 두번이나 거부했으나 결국 2010년 그들의 연구는 "차세대 나노 신소재 2차원 그래핀에 관한 연구" 라는 제목으로 노벨물리학상을 수상했습니다.
그래핀의 미래
그래핀의 미래는 "인류의 미래" 라고 할 정도로 그 활용성이 무궁무진한데요, 그 어떤 물질에 그래핀만 섞으면 전기가 통하게 할 수 있으며, 열에대한 저항을 높일 수 있고, 강도를 높일수도 있습니다.
예를 들면 이런것이죠.
1. 휘어지고 돌돌말아서 보관할 수 있는 전자제품
2. 부숴지지 않는 초경량자동차, 비행기
3. 색이 자유롭게 변하는 초경량 옷
4. 재난지역구호를 위해 지어지는 긴급 플라스틱주택
그리고 개인적으로 저는 그래핀의 이 기능이 가장 마음에 드는데요, 바로 "물정화 필터로서의 기능" 입니다.
그래핀은 물과 섞이지 않는 소수성으로 인해 오염된 독소의 물을 정화하는데 대단한 잠재력을 갖고있어 빨대에 그래핀으로 만든 필터만 부착한다면 바닷물을 그냥 마실수도 있고, 심지어 방사능이 섞인 물도 마실 수 있습니다.
물론, 아직 연구중인것으로 알고 있습니다.
그래핀을 만드는 방법
여러분도 집에 굴러다니는 연필과 끈적끈적한 테이프로 지금당장 "그래핀" 이라는 놀라운 물질을 만들 수 있습니다.
테이프를 연필심에 붙이고 계속 벗겨내다 보면 여러층의 탄소원자로 구성된 흑연층이 생깁니다. 이 과정을 반복하면 탄소가 너무 얇아져서 단 하나의 원자층만 남게 되는데 바로 이것이 그래핀입니다!
그래핀의 가장 흥미진진한 점은 우리가 상상만 했던 기술을 실제로 개발할 수 있게 만드는 물질이라는 것입니다.
인류의 미래를 바꿀만한 "꿈의 신소재" 라는 타이틀이 결코 과장된게 아니라는것이 느껴지시죠? 앞으로도 "그래핀" 의 발전과정을 모두 관심있게 지켜보시자구요!
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