개요
탄소는 자연에서 가장 단단한 물질 중 하나로 배열되거나 너무 부드러워서 아이들이 종이에 흔적을 남길 수 있습니다. 수십 년 전 과학자들은 다이아몬드와 흑연 외에 탄소가 취할 수 있는 다른 결정 형태는 무엇인지 궁금해하기 시작했습니다.
1985년에 그들은 첫 번째 답을 얻었습니다. 한 화학자 그룹이 60개의 탄소 원자로 구성된 작은 속이 빈 구체를 발견했으며 이를 벅민스터풀러렌(buckminsterfullerenes) 또는 줄여서 버키볼(buckyballs) 또는 풀러렌(fullerenes)이라고 불렀습니다. (결정은 건축가 R. Buckminster Fuller가 대중화한 측지선 돔과 비슷했습니다.) 연구원들이 가장 아름다운 분자라고 불리는 것의 특성과 응용을 발견하기 위해 경쟁하면서 나노미터 너비의 구 주위에 새로운 화학 분야가 생겨났습니다.
더 큰 풀러렌이 발견되었습니다. 그리고 몇 년 후, 일본 물리학자 Sumio Iijima의 논문은 관련 탄소 형태에 대한 관심을 불러일으켰습니다. 처음에는 버키튜브라고 불렸지만 지금은 탄소 나노튜브로 알려졌습니다. 튜브.
탄소 결정은 다른 어떤 원소도 따라올 수 없는 전기적, 화학적, 물리적 특성의 스펙트럼을 가졌습니다. 버키볼을 발견한 로버트 컬(Robert Curl), 해롤드 크로토(Harold Kroto), 리처드 스몰리(Richard Smalley)가 1996년 노벨 화학상을 수상하면서 탄소 나노과학에 대한 관심은 더욱 높아졌습니다. 그런 다음 2004년에 물리학자 Andre Geim과 Konstantin Novoselov는 탄소 원자의 평평한 시트(그래핀으로 알려진 결정)를 분리하는 방법을 발견하여 그 이후로 계속 지속되어 온 또 다른 연구 폭발에 불을 붙였고 2010년 물리학 노벨상을 수상했습니다.
최근 화학자들은 또 다른 유형의 탄소 결정을 발견했습니다. 이번에는 훨씬 덜 팡파르였습니다. 이 이야기를 위해 연락한 대부분의 탄소 전문가들은 아직 들어보지 못했습니다. 그리고 지금까지 전 세계 공급량은 아마도 집파리 한 줌 정도의 밀리그램 정도일 것입니다.
개요
이 최신 탄소 구조는 구형 풀러렌과 원통형 나노튜브 사이 어딘가에 속합니다. 그들은 약 캡슐 모양의 두 가지의 "나노 스케일 결혼"이라고 합니다. 해리 돈, Virginia Polytechnic Institute 및 State University의 화학자 스티븐 스티븐슨 분자의 최초 발견자인 Purdue University의 Stevenson과 Dorn은 크리스탈을 풀러튜브라고 명명했습니다.
풀러튜브는 풀러렌과 나노튜브의 장점을 결합한 것입니다. 또는 둘 다 최악입니다. 아니면 각각의 좋은 점과 나쁜 점 중 일부일 수도 있습니다. 누구에게 물어보느냐에 따라 다릅니다. 그들의 속성이 어떻게 또는 유용할지 여부는 여전히 남아 있습니다. fullertubes의 유명한 탄소 친척과 함께 우리가 이전에 가본 적이 있는 곳이며 틀림없이 여전히 그렇습니다.
풀러튜브 채굴
풀러튜브 세계의 중심은 Purdue의 인디애나주 포트웨인 캠퍼스에 있는 거실만한 크기의 화학 실험실입니다. 그곳에서 Stevenson과 그의 소규모 학부생 간부는 다양한 너비와 길이의 실린더 끝에 있는 반구형 캡으로 구성된 새로 발견된 분자를 수집하고 분류합니다.
2020년에 Stevenson과 협력자들은 첫 번째 멤버 풀러튜브 계열의 90원자 분자는 본질적으로 30원자 나노튜브 중앙부로 연결된 버키볼의 두 반쪽입니다. 그들은 각각 96개와 100개의 탄소 원자로 구성된 두 개의 더 큰 형제와 함께 분자를 발견했습니다.
올해 스티븐슨과 돈 두 개의 풀러튜브를 더 설명했습니다., 둘 다 120개의 탄소 원자로 구성됩니다. 그들의 연구에 따르면 이 알약 모양의 분자 중 더 좁은 것은 전기 전도성이 있는 반면 더 넓고 더 짧은 것은 흥미롭게도 반도체이므로 트랜지스터 및 기타 전자 장치에 잠재적으로 사용될 수 있습니다. Fullertubes는 또한 연구원들이 여전히 탐구하고 있는 다양한 광학 및 인장 특성을 가지고 있습니다.
개요
1985년 대학원생으로서 Curl 및 Smalley와 함께 작업하면서 최초의 풀러렌을 분리하는 데 도움을 준 시애틀 시스템 생물학 연구소의 James Heath는 새로운 풀러튜브를 그와 그의 동료들이 다음과 같은 기하학적 규칙을 따르는 "사랑스러운 구조"라고 불렀습니다. 먼저 풀러렌을 찾으십시오. 12개의 오각형과 짝수 개의 육각형이 닫힌 껍질을 형성할 수 있다는 규칙입니다. (예를 들어 버키볼은 축구공과 동일한 육각형과 오각형 패턴을 가지고 있습니다. 풀러튜브는 육각형 벨트를 추가하면서 규칙을 유지합니다.)
분자는 수년간 풀러렌의 주요 공급원이었던 동일한 특수 탄소 그을음에 숨어 수년 동안 화학자의 코 밑에 있었습니다. 그러나 2020년에 Stevenson은 마침내 훨씬 더 풍부한 풀러렌 중에서 관형 캡슐을 선택하는 방법을 알아냈습니다. 그가 부르는 "마법 같은" 과정은 "구체적인 모든 것에 반응하는 것입니다. 그래서 우리는 튜브에서 공을 분리합니다.”
특수 그을음은 일반적으로 챔버 내부의 흑연 막대에서 탄소를 증발시켜 만들어집니다. 탄소 증기가 챔버 벽에서 냉각되면서 대부분이 풀러렌으로 응축되지만 희귀한 풀러튜브도 형성되어 슬래그 산에 보석처럼 뿌려집니다. Stevenson의 마술은 아민으로 알려진 수용성 분자에 의존합니다. 이것들은 탄소 원자의 육각형 배열이 오각형 배열에 붙는 곳, 즉 풀러렌 전체에 나타나는 교차점에 끌립니다. 반면에 나노튜브는 육각형만 특징이고 풀러튜브는 나노튜브 중간부에 의해 아민으로부터 부분적으로 보호되기 때문에 아민에 매력적이지 않습니다. 따라서 아민이 풀러렌과 결합하여 물에 용해되는 반면, 반응하지 않은 풀러튜브는 불용성 상태로 남습니다. Stevenson은 풀러렌을 헹구기만 하면 풀러튜브가 남습니다.
그런 다음 질량과 미묘한 화학적 차이에 따라 분자를 분리하는 기계를 통해 풀러튜브가 풍부한 샘플을 실행하여 균일한 질량, 모양 및 속성을 가진 순수한 풀러튜브 컬렉션을 생성합니다.
개요
"Steve의 접근 방식은 확실히 매우 매력적인 것입니다."라고 화학자는 말했습니다. 아르데미스 보고시안 나노튜브를 연구하는 스위스의 École Polytechnique Fédérale de Lausanne의 “우리 분야에서 일반적으로 사용되지 않는 접근 방식입니다. … 그의 것이 좀 더 정확합니다.”
전문가들은 풀러튜브의 순수하고 균일한 샘플을 분리할 수 있는 능력이 그렇지 않은 경우보다 분자에 훨씬 더 매력을 준다고 말합니다. 풀러렌도 분리될 수 있지만 풀러튜브와 나노튜브를 전기 회로 또는 광 기반 센서의 구성 요소로 유망하게 만드는 전기적 및 광학적 특성이 부족합니다. 한편, 순도는 임의의 길이와 직경의 튜브의 뒤죽박죽, 심지어 튜브 안에 중첩된 튜브로 작업하는 나노튜브 연구원에게 꿈일 뿐입니다. 그렇다면 풀러튜브는 사촌들을 가로막았던 장애물을 극복할 수 있을까요?
버키볼에게 무슨 일이 생긴 걸까요?
1991에서 에있는 기사 과학적인 미국, Curl과 Smalley는 새로운 탄소 기반 초전도체, 전자 장치 및 윤활유를 포함하여 buckminsterfullerenes의 혁신적인 응용을 상상했습니다. "벌크 C의 다재다능함60 매주 성장하는 것 같습니다.”라고 그들은 썼습니다.
XNUMX년이 지났습니다. 노벨상 위원회는 "실질적으로 유용한 애플리케이션은 아직 생산되지 않았다"고 썼다. 1996 보도 자료 Curl, Kroto 및 Smalley가 벅민스터풀러렌을 발견한 공로로 화학상을 수상했다고 발표했지만 "풀러렌의 거시적 양이 나온 지 XNUMX년 만에 이런 일이 일어나리라고는 예상할 수 없습니다."
XNUMX년이 지난 지금, 처음에 기대했던 제품 중 어느 것도 시장에 출시되지 않았습니다. 상업적으로 버키볼을 접할 수 있는 몇 안 되는 곳은 산화 방지제로서의 분자의 잠재력을 홍보하는 화장품 및 식이 보조제입니다. 그러나 두 제품 유형 모두 FDA 승인이 필요하지 않으며 여러 연구에서 버키볼에 독성 징후가 나타났습니다. (한 연구는 적어도 생쥐의 수명을 연장하는 데 있어 건강상의 이점을 뒷받침하는 것으로 보입니다. 전리 방사선에 노출; 또 다른 발견 생쥐의 수명 연장 혜택 없음.)
University of California, Berkeley의 물리학자인 Michael Crommie는 풀러렌이 주로 다른 탄소 결정에 흔적을 남기는 데 중요한 것으로 보고 있습니다. "우리는 버키볼을 얻었기 때문에" 그는 "나노튜브로 이어졌고 결국 그래핀으로 이어졌습니다."라고 말했습니다.
나노튜브는 풀러렌보다 더 과학적이고 상업적인 성공을 거두었습니다. 도마뱀의 발이 미세한 털을 사용하는 것과 거의 같은 방식으로 접착을 위해 결정을 사용하는 "나노 테이프" 또는 "도마뱀붙이 테이프"에서 찾을 수 있는 철물점에서 선택할 수 있습니다. 나노튜브는 초강력 케이블 연결을 위해 충분한 길이의 나노튜브를 만드는 데 성공한 사람이 없다는 점을 제외하고는 강철보다 훨씬 뛰어난 잠재력을 지닌 매우 강합니다. 그럼에도 불구하고 나노튜브는 직물, 보트 선체, 고성능 차체 및 테니스 라켓에 혼합될 때 강도를 더합니다. 또한 물 여과 및 일부 배터리의 성능 향상을 위해 널리 사용됩니다.
그러나 이러한 응용 분야에는 다양한 길이와 직경의 대량의 나노튜브가 포함되지만 정밀 나노센서와 같은 보다 획기적인 응용 분야에는 서로 동일한 나노튜브가 필요합니다. 예를 들어 서로 다른 나노튜브로 만든 두 개의 센서는 같은 자극에 다르게 반응합니다. 전자 제품이 예측 가능한 방식으로 작동하려면 균일한 부품이 필요합니다.
개요
"우리는 정말로 나노튜브를 분리할 수 없습니다."라고 Boghossian이 말했습니다. Geim과 Novoselov가 그래핀을 발견한 것이 아니라 그것을 분리한 것으로 물리학상을 받은 것처럼 "어쩌면 순수한 나노튜브를 분리하는 쉬운 방법을 찾는 사람이 노벨상을 받을지도 모릅니다."
연구자들은 왕 유황 메릴랜드 대학교에서 방법을 개발하고 있습니다. 긴 나노튜브를 자르다 특정 길이를 생성하기 위해 - 나노튜브의 혼합으로 시작하여 동일한 섹션 모음으로 변환하는 고된 하향식 기술입니다. 다른 연구자들은 아래에서 위로, 원자 단위로 나노튜브를 구성하려고 노력하고 있지만 이 접근 방식은 결함이 있고 비용이 많이 듭니다.
균일한 단층 시트를 가진 그래핀은 Crommie가 탄소 나노물질의 진정한 잠재력이 충족될 것이라고 믿는 곳입니다. 그의 관점에서 탄소 기반 전자 및 자기 장치에 대한 최선의 경로는 그래핀 리본을 유용한 모양으로 다듬는 것입니다. 그는 이 기술이 이미 연구실에서 복잡한 전자 장치로 이어졌다고 말했습니다.
개요
Fullertubes를 위한 아기 단계
그렇다면 fullertubes는 어떤 역할을 수행할 수 있을까요? 결정이 균일하고 전도체 또는 반도체가 될 수 있기 때문에 Stevenson과 Dorn은 잠재적으로 나노 크기의 레고처럼 함께 연결되어 소형 전자 장치를 만들 수 있다고 상상합니다.
Boghossian은 내부 환경을 연구하기 위해 나노튜브를 세포에 삽입합니다. 그녀는 나노튜브 형광에 의존합니다. 구조는 한 가지 색상의 빛을 흡수하고 다른 색상을 방출하며 빛의 변화는 세포 상태에 대한 정보를 나타냅니다. 그러나 형광은 나노튜브의 구조에 따라 달라지며 이들 사이의 차이로 인해 신호를 해석하기가 더 어려워집니다. 가장 짧은 풀러튜브는 형광을 발하지 않지만 더 긴 풀러튜브는 형광의 징후를 보입니다. 더 긴 풀러 튜브가 더 강하게 형광을 발하면 그녀와 같은 연구에 도움이 될 수 있습니다. "광전자 응용 분야에 많은 도움이 될 것이라고 생각합니다."라고 그녀는 말했습니다.
2020년 이후 학술 출판물을 검색한 결과 약 22,700편의 논문에서 풀러렌이 언급되었습니다. 나노튜브는 93,000개에서 나타납니다. 그래핀에 대한 검색은 200,000개 이상의 인용을 나타냅니다. fullertubes의 경우 이 글을 쓰는 시점에서 관련 간행물의 총 수는 94개입니다.
Boghossian은 더 많은 연구자들이 시간이 지남에 따라 풀러튜브로 도약할 수 있을 것이라고 말했습니다. 그러나 그녀는 "사람들이 평생 동안 나노튜브[및 기타 탄소 형태]에 대해 연구해 왔기 때문에 어느 정도 적응이 필요할 것"이라고 말했습니다.
