안정성 솔루션은 독특한 형태의 탄소를 실용화에 한 걸음 더 가깝게 만듭니다.

탄소 원자로 이루어진 일차원 사슬인 카빈은 매우 가늘면서도 매우 강하여 차세대 전자 기술에 활용될 수 있는 흥미로운 가능성을 제시합니다. 하지만 극도로 불안정하여 휘어지고 스스로 부러지는 현상이 발생하여 생산 자체가 거의 불가능했으며, 고급 연구에 필요한 양은 더더욱 부족했습니다. 이제 펜실베이니아 주립대를 포함한 국제 연구팀이 해결책을 찾아냈습니다.

연구팀은 카르빈을 단일벽 탄소 나노튜브에 봉입했습니다. 탄소 나노튜브는 사람 머리카락보다 수천 배나 얇은, 탄소로만 이루어진 미세한 튜브 모양의 구조물입니다. 연구진은 이 과정을 저온에서 진행함으로써 카르빈의 안정성이 높아지고 생산이 용이해져 재료 과학 및 기술 분야의 새로운 발전으로 이어질 가능성이 있다고 밝혔습니다.

과학자들이 수십 년 동안 심층 연구를 위해 충분한 양의 안정적인 카르빈을 만들기 위해 노력해 온 만큼, 연구팀은 이 개발을 "유망한 소식"이라고 칭했습니다.

"카빈 발견의 역사는 마치 탐정 소설과 같습니다."라고 ACS Nano에 게재된 이 연구의 공동 저자이자 공학 및 역학 교수인 슬라바 V. 로트킨은 말했다. "이론적으로는 예측되었지만, 수년 동안 합성 시도는 실패했습니다. 사슬이 휘거나 의도치 않은 결합을 형성했기 때문입니다."

이러한 불안정성 때문에 연구가 어려웠고, 실제 응용 분야에서의 활용을 상상하는 것은 더욱 어려웠습니다. 그러나 이미 일부 전자 제품에 적용된 원자적으로 얇은 2차원 탄소 소재인 그래핀처럼, 카빈의 극한의 강도와 전자적 특성은 전자 기술에 혁명을 일으킬 잠재력으로 연구자들을 계속해서 매료시켰다고 로트킨은 말했습니다. 하지만 카빈은 그래핀보다 내재된 장점을 가지고 있기 때문에 그 매력이 더욱 큽니다.

"그래핀처럼 카르빈은 전자를 매우 빠르게 움직일 수 있도록 합니다."라고 로트킨은 말했습니다.

"하지만 카르빈은 '반도체 갭'이라는 것을 가지고 있는데, 이는 전자 장치에 전력을 공급하는 작은 스위치인 트랜지스터를 만드는 데 유용합니다. 반면 그래핀은 이 갭이 없기 때문에 그래핀과 같은 방식으로 사용할 수 없습니다."

반도체 갭은 물질이 전류 스위치 역할을 할 수 있도록 하는 작은 에너지 갭입니다. 그래핀은 순수한 형태로는 이 갭이 없기 때문에 전자가 항상 흐를 수 있기 때문에 그 자체로는 트랜지스터가 될 수 없습니다.

그래핀은 다양한 첨가와 조작을 통해 갭을 형성하도록 설계할 수 있지만, 카르빈은 자연적으로 갭을 가지고 있습니다. 이는 미래에 카르빈 기반 전자 장치가 오늘날의 실리콘 기반 기술보다 더 빠르고 효율적인 성능을 제공할 수 있음을 의미합니다.

연구진의 새로운 합성 접근법은 불안정성 문제를 잠재적으로 해결하는 것 외에도, 카르빈이 그 잠재력을 최대한 발휘하는 데 있어 또 다른 장애물을 해결할 수 있을 것으로 기대됩니다. 카르빈 연구에서 가장 큰 과제 중 하나는 카르빈을 대량 생산하는 것이었습니다.

과거에는 고온, 고압 또는 화학 반응성 환경과 같은 극한 조건에서 극소량의 카르빈만 생산할 수 있었습니다. 이러한 요인들은 과학자들이 카르빈의 특성을 완전히 탐구하는 데 어려움을 겪었던 요인이었습니다. 그러나 새로운 합성법은 이러한 상황을 변화시킵니다.

연구진은 이 새로운 방법이 기존 기술에 비해 훨씬 쉽고 효과적이라는 점이 특별하다고 밝혔습니다. 첫째, 연구팀은 훨씬 낮은 온도에서 카빈을 성장시키기 위해 콜산암모늄이라는 순한 원료 물질 역할을 하는 특수 전구체를 사용했습니다. 둘째, 단일벽 탄소 나노튜브를 카빈 주변에 일종의 보호막으로 사용했는데, 이는 이전에 사용되었던 두껍고 다층 구조의 튜브보다 훨씬 효과적입니다.

이 보호막은 깨지기 쉬운 카빈을 안정적으로 유지하는 데 도움이 됩니다. 마지막으로, 이 새로운 방법은 이전보다 훨씬 많은 카빈을 생산할 수 있어 과학자들이 이제 카빈을 더욱 자세히 연구하고 실제 응용 분야에서 어떻게 활용할 수 있는지 탐구할 수 있게 되었습니다.

로트킨은 "이 기술의 두 가지 주요 발전은 낮은 비용과 높은 수율입니다."라고 말했습니다. "이 기술은 기초 과학 분야뿐 아니라 실제 응용 분야까지 더 광범위한 연구의 문을 열어줍니다."

연구진은 탄소 나노튜브 안에 카르빈을 캡슐화함으로써 카르빈의 고유한 특성을 보존하는 방법도 발견했습니다. 나노튜브는 보호막 역할을 하여 카르빈이 분해되는 것을 방지하는 동시에 과학자들이 거의 순수한 형태로 카르빈을 연구할 수 있도록 합니다.

"중요한 점은 단일벽 나노튜브가 카빈 사슬을 크게 방해하지 않는다는 것입니다."라고 로트킨은 말했습니다. "카빈이 나노튜브 벽에 결합하지 않고 제자리에 머물 수 있게 하는 약한 힘인 반데르발스 상호작용만 존재합니다."

로트킨은 실제 응용 분야는 아직 초기 단계이지만, 카빈의 잠재력은 무궁무진하다고 말했습니다. 카빈은 강한 상관관계를 가진 물질이기 때문에 그 특성이 고전 물리학을 넘어서며, 이는 차세대 컴퓨팅과 나노기술 분야에 응용될 수 있음을 의미합니다.

"이런 물질은 정상 상태일 때와 들뜬 상태일 때 모두 복잡한 거동을 보입니다."라고 로트킨은 말했다. "이것은 우리가 양자 물질을 다루고 있다는 것을 의미하며, 이는 완전히 새로운 기술로 이어질 수 있습니다."

연구팀은 연구 과정에서 예상치 못한 발견도 했습니다. 인체가 유기 화합물을 용해하는 데 사용하는 일반적인 용매인 콜레이트(콜산)가 추가적인 복잡한 단계 없이도 카르빈 사슬로 변환될 수 있다는 것입니다.

"콜레이트와 같은 흔한 용매가 아무런 문제 없이 카르빈 사슬로 변환될 수 있다는 것은 정말 놀라운 일이었습니다."라고 로트킨은 말했습니다. "익숙한 물질조차도 고급 화학에서 어떻게 새로운 역할을 할 수 있는지 보여주었습니다."

카빈에 대한 많은 의문이 여전히 풀리지 않은 채 남아 있지만, 로트킨은 이것이 중요한 진전이라고 믿는다고 말했습니다. 카빈을 대량으로 생산하는 안정적인 방법을 통해 연구자들은 이제 카빈의 잠재력을 더욱 심층적으로 탐구할 수 있게 되었습니다.

"과거에는 연구에 활용 가능한 자료의 양이 한두 그룹이 그 존재를 확인하기에 턱없이 부족했습니다."라고 로트킨은 말했습니다. "이제 우리는 그 특성과 응용 분야를 진정으로 이해할 수 있는 기회를 얻었습니다."

Rotkin, Bo-Wen Zhang, Xi-Yang Qiu, Qingmei Hu, Ikuma Kohata, Shohei Chiashi, Keigo Otsuka 및 Shigeo Maruyama와 함께 도쿄 대학교; Zhejiang University의 Yicheng Ma, Yongjia Zheng 및 Rong Xiang; 앤트워프 대학교의 Aina Fitó-Parera, Dmitry I. Levshov, Sofie Cambré 및 Wim Wenseleers; 다롄 대학교의 Ya Feng; 나고야 대학교의 Yutaka Matsuo; 메릴랜드 대학의 YuHuang Wang과 Chiyu Zhang도 이 연구에 기여했습니다. 마루야마는 연구팀을 이끌었고 논문의 교신저자였습니다.

미국 에너지부와 일본 과학 진흥 협회가 이 연구를 지원했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250509121907.htm