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탄소화합물,동소체 : 흑연, 다이어몬드, 풀러렌

화합물의 backbone
- 탄소는 Super flex : 요술쟁이 네 개의 팔로 온갖 조화 부린다.
- 탄소는 Super power : 가장 단단한 구조물을 만든다

- 세상은 생각보다 단순한 물질로 만들어졌다
- 모든 것이 화학물질이다
- 탄소 순환
- 식물은 가장 위대한 화학자

다이아몬드

다이아몬드(Diamond)라는 말은 그리스어인 아다마스(Adamas)에서 유래됐다. 이는 A와 Damas의 합성어로 A는 부정을 의미하고 Damas는 정복을 의미해, 다이아몬드는 '정복할 수 없는 것'이란 뜻이다. 다이아몬드는 모든 광물 중 가장 단단하고 아름다운 휘광성을 발휘하기 때문에 여성들이 좋아하는 보석이다. 다이아몬드는 한 개의 탄소원자가 4개의 탄소원자에 결합된 형태를 하고 있다. 다이아몬드의 가장 큰 특징은 단단하다는 점. 때문에 다이아몬드는 착암기나 유리칼로 사용된다. 질화탄소가 다이아몬드보다 더 단단할 가능성이 있다고 해서 연구하고 있으나 아직까지는 다이아몬드의 단단함을 능가하지 못하고 있다. 다이아몬드의 다른 특징은 부도체로 전기를 통하지는 않지만 열은 잘 전달한다는 것이다. 이것을 반도체 제조과정에 사용할 수 있다면 반도체 소자가 작동할 때 생기는 열을 방출하는데 매우 유용하게 이용될 수 있다. 만약 고체의 표면에 다이아몬드를 얇게 입힐 수 있다면 재료를 마모되지 않게 보호할 수 있을 것이다. 실제로 다이아몬드를 고체 표면에 얇게 입힌 것은 쉽게 찾아볼 수 있다. 비디오플레이어의 다이아몬드 헤드가 그것. 이것은 헤드에 다이아몬드 구조를 한 탄소결정체 막을 입힌 것으로 비디오플레이어 헤드와 비디오 테이프를 함께 보호할 수 있다. 이것은 탄소를 포함한 화합물을 헤드와 함께 높은 온도로 가열해 분해시킴으로써 헤드 표면에 막을 입히는 것이다. 이 과정에서 붕소를 넣어서 처리하면 붕소가 불순물로 포함된 다이아몬드의 막이 생기는 데 이 막은 다이아몬드의 특성을 그대로 가지면서 전기를 상당히 잘 통하기 때문에 매우 유용하다. 특히 이 막은 액정화면이나 브라운관을 대치할 수 있는 새로운 표시소자로의 가능성 때문에 전자회사와 학계에서 활발히 연구되고 있다. 개발 초기의 시제품은 이미 나와 있다.

2천℃ 열에도 끄떡없는 흑연

연필심에 사용되는 흑연은 다이아몬드와는 다른 구조를 가지고 있다. 1기압 하에서 안정적인 결정구조를 갖는 흑연은 6개의 탄소 원자가 6각형으로 배열돼 있다. 이 6각형을 벤젠고리라 하고 이 고리들을 규칙적으로 깔아 층을 쌓았기 때문에 층층이 잘 분리된다. 면 내의 탄소와 탄소 원자 사이의 거리는 1.4Å(1Å=10-10m)이지만 면 사이의 거리는 3.35Å으로 상당히 떨어져 있다. 면내의 원자 결합이 강하고 면과 면과의 결합은 약해 쉽게 미끄러져 떨어진다. 바로 이 성질을 이용한 것이 연필심이다. 또 흑연은 판 내에서는 전기를 잘 통하지만 판과 판 사이에는 전기가 통하지 않는다. 흑연의 가장 뛰어난 점은 열에 강하다는 것이다. 2천℃로 가열해도 강도가 거의 변하지 않는다. 단지 공기 중에서 가열하면 7백℃에서 타기 시작하기 때문에 진공 중이나 알코올 속에서 사용하는 고강도 재료로 쓰인다. 예를 들어 3천℃ 이상으로 가열하는 도가니나 히터에 사용된다.

흑연이 가장 많이 사용되는 곳은 전기제강법에 쓰이는 전극봉이다. 철의 산화물인 철광석을 제철용 코크스와 가열하면 철은 산소와의 결합력이 약화되면서 분리된다. 그러나 많은 탄소성분이 포함돼 있어 이것을 고온에 녹여 탄소 성분을 제거하거나 소량의 금속을 첨가함으로써 다양한 특성의 철제품을 만든다. 이 때 이용되는 것이 흑연 전극봉. 탄소가 포함된 철에 흑연 전극봉을 꽂은 후 고압의 전류를 통하면 전극봉을 용융시켜 순수한 철을 얻는다. 이 때의 온도가 보통 1천7백50℃ 전후이므로 흑연이 아니고서는 견디기 어려운 조건이다. 이처럼 고온에서도 안정한 흑연의 성질은 반도체용 실리콘 결정을 만들 때나 핵융합로의 내벽재로 쓰이고 있다. 또 흑연은 중성자를 흡수하는 능력이 있어 원자로의 감속재로도 이용된다.

나노세계의 프론티어 풀러렌   

다이아몬드와 흑연같이 자연에 존재하는 탄소의 동소체 외에 인위적으로 합성한 새로운 형태의 동소체로 풀러렌이라는 것이 있다. 물론 양은 적지만 풀러렌이 암석 중에서도 발견된다는 사실이 아리조나 대학교의 화학교수인 호프만에 의해 밝혀지면서 각광을 받기 시작했다. 풀러렌은 진공장치 속에서 강력한 레이저를 흑연에 쪼일 때 탄소들이 흑연 표면에서 떨어져 나와 새로운 결합을 이루며 만들어진다. 이 물질은 결합구조가 흑연과 같은 전자결합을 하나 6각형만으로 이뤄지지 않고 일부가 5각형의 구조를 가지면서 구면을 형성한다는 특징이 있다. 풀러렌은 탄소원자 60개로 만들어진 분자가 대표적(C60)이다. 이 분자는 스몰리와 크로토가 처음으로 실험 조건에서 발견한 후 호프만이 대량으로 생산했다. 이 공로로 스몰리와 크로토는 1996년 노벨 화학상을 받았다.

풀러렌 분자의 모양은 탄소가 결합해 만드는 6각형과 5각형으로 돼 있다. 전체적인 모양은 축구공처럼 생겼다. 풀러렌 부류는 C60이외에 C62, C64, C66,등의 가족들이 많지만 생산되는 상대적인 양들은 다르다.  C60이 가장 많고 C70이 그 다음이고 적은 양이지만 C76, C84 등도 생산된다. 대부분은 생산량이 너무 적어서 겨우 존재만 확인 가능한 것들이다. 이들은 모두 탄소의 수가 짝수로 되어 있다는 점이 또한 흥미롭다. 이는 자연계에서 탄소가 존재할 때는 대개 짝을 이뤄 존재한다는 것과 우주 공간에서도 그러리라는 추측을 낳고 있다. C60은 비교적 저렴한 가격에 구입할 수 있지만 C70만 해도 상당히 비싸다. 그나마 무척 고생을 해서 소량을 얻을 수 있는 것도 몇 가지밖에 없다. 나머지는 생산량이 너무 적어서 현실적으로 얻기가 불가능하다. 또 한가지 분자를 얻었다고 해도 6각형과 5각형 고리의 상대적 위치에 따라 대칭성과 모양이 달라지기 때문에 나타나는 성질은 더욱 복잡해진다.
그러나 풀러렌들은 그 모양이 독특해 주목을 끌기에 충분했다. 또한 전기적, 광학적 성질이 흥미를 배가시켰다. 특히 빛을 흡수하고 전자를 잘 받는 성질이 있는 C60으로 이루어진 결정에 알칼리 금속을 적절히 결합시키면 초전도체가 된다는 보고가 있은 후에는 연구가 폭발적으로 증가했다. 물론 둥근 공모양을 하고 있기 때문에 세상에서 가장 작은 베어링으로의 가치도 인정받았다.
근래에는 탄소원자를 다른 원소로 바꾼, 예를 들면 C59N과 같은 새로운 물질이 연구되고 있다. 왜냐하면 질소는 탄소보다 전자를 하나 더 가지고 있기 때문에 C59N이 C60과 같은 모양을 하고 있다 할지라도 여분의 전자로 인한 화학적 성질이 달라지기 때문이다. 아무튼 새로운 물질과 그것의 성질을 연구하는 화학자들에게 풀러렌은 좋은 연구대상이다.


촛불을 켜면 다이아몬드가 생긴다?

2011년 09월 19일

‘보석 중의 보석’이라 불리는 다이아몬드는 모스경도계 기준으로 최고 등급의 광물이다. 자연물질 중에서 가장 단단하다는 뜻이다. 빛 굴절률도 높아 제대로 가공하면 눈이 부실 정도로 반짝거린다. 덕분에 ‘변치 않는 사랑’의 의미가 더해져 청혼반지로 인기가 높다. 그러나 값비싼 반지를 선물 받지 못했다고 실망할 필요는 없다. 탁자 위 촛불 속에서는 초당 150만 개의 다이아몬드 입자가 만들어지기 때문이다.

노랑, 빨강, 파랑 등 다양한 색깔을 내며 조용히 타오르는 촛불은 부위에 따라 온도 차이가 크다. 가장 바깥쪽은 섭씨 1,400도에 달하지만 심지 근처의 어두운 부분은 500도밖에 되지 않는다. 그러나 바로 이곳이 다이아몬드 입자를 쏟아내는 보석공장이다. 흑연, 풀러렌 등 다양한 종류의 탄소 입자도 만들어진다.

이 사실은 영국 세인트앤드루스대학교 화학과의 저우우종(周武宗) 교수가 밝혔다. 저우 교수는 동료교수와의 대화에서 이 연구의 아이디어를 얻었다. “과학자들이 수백 년 동안 노력했지만 촛불의 원리에 대해 별로 알아낸 것이 없다”는 지적에 저우 교수는 “무엇이든 과학으로 설명 가능하다”고 반박하며 촛불 연구에 매달렸다.

수천 년 동안 인류와 함께 해오며 어둠을 밝혀온 촛불을 과학자의 시각으로 처음 바라본 사람은 영국의 철학자 프랜시스 베이컨이었다. 1550년 어느 날, 베이컨은 화살촉을 촛불에 달구다가 놀라운 사실을 알아냈다. 심지 부근 불꽃 중심부의 온도가 생각보다 낮았던 것이다.

그로부터 300년 가까이 시간이 흐른 1860년, 영국의 과학자 마이클 패러데이가 촛불의 비밀에 다시 도전했다. 그는 점토로 만든 가느다란 관을 촛불에 집어넣어 내부의 성분을 추출했고, 녹은 파라핀이 심지 끝에서 연소되며 물과 이산화탄소가 발생한다는 사실을 알아냈다. 패러데이는 크리스마스 때마다 아이들을 대상으로 불꽃의 화학적 원리에 대해 설명했다. 이후 6년의 강연은 ‘양초의 화학사’라는 한 권의 책으로 묶여졌다.

다시 90년이 지나 1954년이 돼서야 열전도율이 높은 석영을 이용해 촛불의 정확한 온도를 측정할 수 있었다. 또한 불꽃 중심의 어두운 부분에서 열분해 된 탄화수소가 연소에 의해 확산되면서 밝은 불꽃이 생겨난다는 원리도 밝혀졌다. 최근에는 우주공간의 무중력 상태에서 촛불이 어떻게 타오르는지 알아내는 실험도 있었다.

그러나 촛불 속에서 수십 억 분의 1mm 크기밖에 되지 않는 나노입자를 채취해 분석한 것은 2011년 8월 발표된 저우 교수의 실험이 처음이다. 뜨거운 불 속에서 나노 크기의 물질만을 골라내는 기술이 없었기 때문이다. 저우 교수는 알루미늄 양극산화물(AAO)을 재료로 10나노미터(nm, 10억분의 1미터) 두께의 극히 얇은 포일을 만들고 80nm 크기의 작은 구멍을 무수히 뚫었다. 그리고 40nm의 더 작은 구멍이 뚫린 포일을 위아래로 겹쳐서 촛불 하단부의 심지 근처에 1초 동안 넣었다가 얼른 빼냈다.

알루미늄 포일은 구멍이 많고 두께가 얇아 촛불이 타오르는 데 방해가 되지 않았고, 그을음 색깔을 띤 여러 크기의 나노입자들은 2단계의 구멍을 통과하면서 포일에 달라붙었다. 초음파 처리법으로 그을음을 분리해 고해상도 투과전자현미경(TEM)으로 관찰하자 4종류의 탄소물질이 발견됐다.

첫째로 모습을 드러낸 것은 그래파이트(graphite)라고 불리는 흑연이다. 0.34nm의 흑연 조각들이 20nm 크기의 둥그런 공 모양으로 뭉친 뒤 쇠사슬처럼 길게 연결돼 있었다. 다음으로는 1nm 이하의 풀러렌(fullerene)이 발견됐다. 수많은 탄소 원자가 격자형으로 결합된 풀러렌은 온도와 열에 잘 견디며 표면이 매끄러워 신물질로 각광받는 소재다. 불꽃의 상층부나 외곽으로 갈수록 뚜렷한 형체 없이 덩어리처럼 뭉쳐진 무정형탄소(amorphous carbon)가 많아졌다.

채집된 나노입자 가운데 예상치 못한 물질도 발견됐는데, 다이아몬드 입자가 바로 그것이다. 크기는 2~5nm에 불과했지만 분명한 다이아몬드 구조를 이루고 있었다. 불꽃 하단부에서 상층부로 갈수록 다이아몬드 나노입자의 숫자가 많아지고 크기도 커졌다.

촛불 속에서 생성되는 것으로 밝혀진 4가지 탄소물질. 왼쪽 상단부터 시계방향으로 나노다이아몬드 입자, 흑연 나노구, 무정형탄소 덩어리, 풀러렌. 사진 출처 : Chemical Communications이를 바탕으로 촛불이 타오르는 원리를 화학적으로 정리해보자. 양초의 재료인 파라핀(CnH2n+2) 속 탄화수소가 심지에서 열분해되며 C2, C3, C2H2 등의 라디칼(radical)로 나뉜다. 이들은 불꽃 하단부에서 다시 수소와 결합해 흑연과 다이아몬드의 나노입자를 형성한다. 불꽃 중심부로 이동하면 입자의 크기가 커지면서 풀러렌 입자까지 생겨난다. 불꽃 상층부에서는 나노입자가 다시 분해돼 무정형탄소와 그을음이 돼 날아간다. 1분이면 1억 개 가까운 다이아몬드 입자가 생겼다가 공중으로 사라지는 셈이다.

다이아몬드가 사라지는 것은 아깝지만 촛불에 대한 시각이 완전히 바뀌었다는 점에서 의미 있는 연구결과다. 저우 교수는 각종 산업에서 핵심재료로 쓰이는 공업용 다이아몬드를 더 저렴하고 친환경적인 방법으로 제조하는 방법을 찾는 데 도움이 될 것으로 기대하고 있다.

청혼 중이던 연인에게로 되돌아가보자. 남자는 평범한 금반지를 내밀었지만 여자는 이제 실망하지 않는다. 그와 결혼한다면 저녁식사 때마다 식탁에 촛불이 켜질 것이고, 매일 밤 수십 억 개의 다이아몬드 입자들이 집안을 환하게 밝힐 것을 알기 때문이다.