‘우주 엘리베이터’ 제작 가능한 ‘나노 다이아’ 개발

차기 신소재라 불리는 탄소나노튜브(carbon nanotube), 그래핀(graphene)보다 강력한 나노 크기의 다이아몬드 소재를 개발할 수 있는 방법을 과학자들이 찾아냈다.

영국 과학전문매체 피조그닷컴은 미국 펜실베이니아 주립대학·애리조나 주립대학·오크리지 굴립 연구소·카네기 연구소 공동 연구진이 모발보다 얇은 ‘다이아몬드 코어 나노 실(diamond-core nanothread)’ 개발에 성공했다고 21일(현지시간) 보도했다.

연구진은 오크리지 국립 연구소의 대형 고압축기기를 이용, 방향족화합물인 벤젠(benzene) 분자 속 탄소원자를 압축해 머리카락보다 얇고 광섬유보다 작은 사면체 탄성구조를 가진 ‘다이아몬드 코어 나노 실(diamond-core nanothread)’ 결정 추출에 성공했다.


연구진이 최초 압축해낸 벤젠 분자는 탄소 원자 6개, 수소 원자 12개로 이뤄진 사이클로헥세인(cyclohexane) 화합물 형태였으나, 이후 최종적으로 추출된 다이아몬드 코어 나노 실은 수소 원자로 둘러싸여져 있는 상태로 변화했다. 연구진은 처음에 강력한 압력을 가한 뒤 시간을 두고 천천히 압력을 해제하는 방식으로 벤젠 분자를 자극, 분자 내부의 탄소 원자가 사면체 구조로 질서 정연한 형태를 유지하도록 노력했고 이후 압력이 완전히 해제됐을 때 벤젠분자는 길고 얇은 ‘다이아몬드 코어 나노 실’로 변형됐다.

연구진은 이 ‘나노 실’ 결정을 X선 회절(X-ray diffraction), 중성자회절(neutron diffraction), 라만분광법(Raman spectroscop), 고체상태 핵 자기 공명(solid-state nuclear magnetic resonance), 투과전자현미경사진(transmission electron microscopy)으로 수차례 반복 조사하는 과정에서 내부의 완벽한 형태의 다이아몬드 구조가 존재함을 확인해낼 수 있었다.

연구진은 꿈의 신소재라 불리는 탄소나노튜브(carbon nanotube), 그래핀(graphene)보다도 이 ‘다이아몬드 코어 나노 실’이 가지는 잠재성이 더욱 높다고 본다. 펜실베이니아 주립 대학 화학과 존 베딩 교수는 “이 나노 실은 지금까지 나왔던 어떤 신소재보다 가볍고, 효율적이며 오염위험도 낮다”며 “특히 이론으로만 존재해온 무중력 공간과 지구 표면을 잇는 우주엘리베이터를 만들어낼 초경량 케이블을 이 다이아몬드 코어 나노 실로 만들 수 있다고 본다. 탄소나노튜브, 그래핀 보다 강하고 안정적이면서 대기까지 보호할 수 있기 때문”이라고 설명했다.



하지만 아직 ‘다이아몬드 코어 나노 실’은 신소재로의 개발이 완성된 것은 아니며 실험과정에서 드러난 뻣뻣함, 화학적 응용력, 대량 생산 방식 구축 등 극복할 과제가 많이 남아있다. 연구진은 이에 대한 추가 연구를 진행할 예정이다.

한편 이 연구결과는 국제학술지 네이처의 자매지 ‘네이처 공업소재(Nature Materials)’ 21일자에 게재됐다.

사진=Penn State University　

조우상 기자 wscho@seoul.co.kr