흑연과 비교했을 때 그래핀은 인장 강도, 유연성, 전기 전도성, 열 전도성과 같은 특성에서 놀라운 향상을 보입니다. 탄소 원자 한 층으로 이루어진 이 2차원(2D) 나노 소재의 발견은 다른 소재의 원자 단위 두께 층을 활용하려는 잠재적 응용 분야에 대한 관심을 높였습니다.
이러한 기반을 바탕으로 연구자들은 각각 고유한 특성과 잠재적 응용 분야를 가진 다른 원자 단위 두께의 소재를 개발하기 위해 노력해 왔습니다.
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그래핀이란 무엇인가?
육각형 격자 구조로 배열된 탄소 원자 한 층인 그래핀의 개발은 2004년에 처음 보고되었습니다. 이와 같은 혁신적인 2D 소재는 표면적 대 부피 비율이 높으며 기존 탄소 기반 소재보다 훨씬 얇고 강하며 가볍고 유연합니다. 또한 그래핀의 극도로 낮은 차원과 양자 구속 효과는 투명성 및 반도체성과 같이 벌크 소재에서는 나타나지 않는 새로운 특성을 부여합니다. 원자 단위 두께의 소재는 복합체 내의 다른 소재와도 강력하게 상호작용하여 유익한 시너지 효과를 이끌어냅니다.
재료 연구자들은 CAS SciFinder를 사용하여 재료 과학 문헌을 검색하고, 혁신을 뒷받침하는 구조-특성 관계 및 합성 방법을 파악할 수 있습니다.
원자 단위 두께 층의 세 가지 범주
그래핀의 성공에 힘입어 과학자들은 다른 원자 단위 두께의 소재 층을 연구하기 시작했습니다. 현재 연구는 구성 성분에 따라 분류된 세 가지 소재 유형에 집중되어 있습니다:
- X-enes: 그래핀, 포스포린, 질화붕소, 실리센, 흑연질화탄소와 같은 비금속 물질
- Metal-X-enes: 전이 금속 탄화물, 칼코겐화물, 질화물, 산화물, 수산화물, 할로겐화물과 같은 금속 함유 화합물
- Metallenes: 골든, 스타넨, 게르마넨과 같은 금속 및 합금으로, 바이메탈렌, 트리메탈렌 등으로 추가 분류 가능
그림 1은 그래핀 발견 이후 2D 소재 연구의 역사를 보여줍니다.
그림 2는 하위 범주와 그에 속한 개별 원자 단위 두께 소재, 주요 특성, 그리고 다양한 응용 분야와의 관계를 보여줍니다.
원자 단위 두께 금 층의 고유한 특성
현재 활발히 개발 중인 메탈렌(metallene) 중에서도 단일 원자 층으로 이루어진 금인 '골든(goldene)'은 놀라운 과학적 가능성을 제시합니다. 독특한 촉매 및 광학적 특성을 보일 것으로 기대되는 골든은 촉매 작용과 광전자공학 분야에서 활용될 잠재력이 큽니다.
골든이 태양전지, 센서, 배터리 및 기타 전자 기기에 사용될 중요한 후보 물질로 주목받는 이유는 무엇일까요?
- 두께: 골든은 상용 금박보다 400배 더 얇으며, 0.2-0.4 nm의 두께를 가질 것으로 예상됩니다. 기판 위에 지지된 원자 단위 두께의 금 층에 대한 이전 연구들은 이 물질이 0.95-2.85 eV의 밴드갭을 가진 반도체 특성을 보인다고 보고했습니다.
- 결합 강도: 골든의 계산된 결합당 에너지는 0.94 eV로, 원자당 결합 수가 적기 때문에 벌크 금의 0.52 eV보다 높습니다.
- 탄성: 골든의 탄성 계수(영률)는 226 GPa로 예측되며, 이는 벌크 금의 76-80 GPa 및 금 나노시트의 60 GPa보다 높고, A36 강철과 유사한 수준입니다.
금의 높은 비용을 고려할 때, 대량의 재료가 필요한 응용 분야에서는 골든의 기계적 특성이 크게 중요하지 않을 수 있습니다. 그러나 골든의 전기적, 촉매적, 광학적, 생물의학적 특성 향상은 많은 신흥 핵심 기술에서 요구되는 만큼 매우 중요합니다.
골든의 잠재적 응용 분야
원자 단위 두께 금 층이 가진 기회는 더욱 흥미롭습니다. 장식 및 교역용 외에도 금은 이미 전자공학, 불균일 촉매, 전기촉매, 센서, 포토닉스 및 생물의학 분야에서 응용되는 과학 기술의 중요한 금속입니다. 이 기술은 아직 초기 단계이므로 현재까지 원자 단위 두께의 금 층과 관련된 출판물은 제한적입니다. 따라서 2차원 금의 보고된 응용 분야를 분석하기 위해 나노시트, 나노플레이트, 박막과 같이 약간 더 두꺼운 금 나노구조체를 포함한 출판물을 검토하기로 했습니다.
우리는 메탈렌과 2차원 금을 보고한 출판물에서 CAS Content Collection™ 내의 색인된 키워드를 분석했습니다(그림 3). 메탈렌을 보고한 출판물에서 지배적인 개념은 전기촉매 및 전기화학적 에너지 저장과 관련이 있는데, 이는 주로 팔라듐, 로듐, 백금 및 그 합금과 같이 금 이외의 귀금속으로 만들어진 메탈렌 때문입니다.
반면, 2차원 금 나노구조체 관련 출판물은 센서, 약물 전달, 광열 치료, 불균일 촉매와 같은 응용 분야를 강조합니다. 이는 주로 금과 은과 같은 일부 금속만이 나타내는 독특한 표면 플라즈몬 공명 현상 때문입니다. 금의 비활성 및 생체 적합성 특성은 전기적, 광학적 특성과 결합하여 생물의학 응용 분야에서 신뢰받는 재료가 되었습니다.
골든 개발을 저해하는 과제
이 혁신적인 재료의 잠재력을 실현하기 위해 연구자들은 골든을 광범위한 응용 분야에 활용할 수 있도록 많은 과제를 극복하고자 노력하고 있습니다.
세 가지 범주의 원자 단위 두께 재료 중에서 메탈렌의 합성이 가장 어렵습니다. 이는 대부분의 금속에서 결합이 등방성(isotropic)을 띠어 나노입자나 1차원(1D) 나노구조체와 같이 조밀하게 채워진 구조를 선호하기 때문입니다. 반면, 많은 비금속 및 전이 금속 화합물은 반데르발스 힘으로 결합된 층상 구조로 구성되어 있어 하향식 접근 방식(top-down approach)을 통해 개별 층으로 분리하기가 더 쉽습니다.
수많은 금 나노입자, 1차원 및 2차원 나노구조체가 합성되었으며 다양한 응용 분야에서 높은 성능을 보여주었습니다. 그러나 원자 단위 두께의 2차원 금 제조는 여전히 어려운 과제로 남아 있습니다. 지금까지 보고된 대부분의 2차원 금 나노구조체는 다른 재료 위에 지지된 원자 단위 두께의 층이거나 다원자 층으로 구성되어 있습니다. 원자 단위 두께의 금 층은 열역학적으로 나노입자 섬으로 구성된 불연속적인 박막으로 뭉치려는 강한 경향이 있습니다.
2022년 골든 합성에 관한 보고서는 단일 층이 아닌 여러 개의 금 층으로 만들어졌다는 다른 과학자들의 반박을 받았습니다. 그러나 계면활성제와 리간드로 원자 단위 두께의 금 층을 안정화한 골든 합성에 관한 최근 보고서는 널리 주목받고 있습니다.
골든의 잠재적인 단점 중 하나는 인장 강도가 12 GPa에 불과하여 벌크 금의 100-200 GPa보다 훨씬 낮다는 점입니다. 또한 표면에 존재하는 계면활성제와 리간드가 금의 핵심적인 표면 의존적 특성을 크게 저해할 수 있으므로, 이러한 물질 없이 골든을 안정화하는 과제도 고려해야 합니다.
골든의 미래는 밝을까요?
골데네 개발의 확장성과 적용 범위는 아직 지켜봐야 할 부분입니다. 하지만 원자 단위 두께 소재가 가진 독특하고 매력적인 특성이 앞으로도 연구 및 상업적 관심을 계속해서 불러일으킬 것이라는 점은 의심할 여지가 없습니다.
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