미국 라이스대학 연구진은 그래핀 사이에 나노튜브 기둥은 연결하여 탄소구조체의 특성을 평가하는 새로운 연구결과를 발표했다. 이번 모델을 통해서 탄소구조체의 강도, 연성을 비롯하여 여러 가지 특성을 연구할 수 있게 되었다. 이번 하이브리드 구조체 모델은 그래핀 등 탄소구조체의 활용성 향상에 큰 도움이 될 것으로 기대된다. 

탄소 나노물질은 일반적으로 판상, 튜브, 구형의 형태를 띠고 있다. 이러한 나노구조체는 그 놀랍고 독특한 전기적 특성으로 인해서 하이브리드 구조체 설계에 빌딩블록과 같은 역할을 하고 있다. 이번에 라이스 연구진은 이러한 구조체 내에서 빌딩블록과 같은 역할을 하는 탄소 나노체가 원하는 특성을 만들어내도록 할 수 있는 이론적인 결과를 정립하는데 성공했다. 연구진은 각 구조체의 연결과 각각의 특성을 통해서 전체적인 구조체의 특성이 어떻게 나타나는가를 확인하는 시스템 설계에 성공했다. 

라이스대학 재료과학자 Rouzbeh Shahsavari 박사 연구진은 탄소 나노튜브와 그래핀의 다양한 연결 속에서 어떻게 그 특성이 결정되는지를 계산할 수 있었다. 특별히 연결체의 방향에 따라 하이브리드 구조체 특성이 어떻게 변화하는지를 설명할 수 있게 되었다. 연구진은 이러한 계산 결과를 통해서 층상으로 만들어진 그래핀 구조체와 비교해서 동일한 강성을 지니면서 유연성이 향상된 하이브리드 구조체 설계를 가능하게 하였다. 이번 연구결과는 저널 카본에 게재되었다. 

탄소 나노튜브는 탄소원자가 육각형 구조를 이루면서 완전하게 말린 형태를 띠고 있다. 반면에 그래핀은 바깥쪽으로 말린 구조를 하고 있다. 둘은 모두 강성이 매우 뛰어나고 동시에 전자 및 열 전도성이 매우 높다. 그러나 두 구조체가 접합할 때에는 원자 배열의 영향으로 그 특성이 변화될 수 있다. 지금까지 이러한 구조체적인 접합 특성에 대한 연구를 진행한 여러 연구가 발표되었다. 또한 두 구조체를 접합시켜 각각의 특성을 그대로 재현하고자 하는 연구가 진행되어 왔다. 그러나 그래핀과 나노튜브로 서로 연결된 하이브리드 특성을 정량적으로 예견하는 것은 여전히 매우 어려운 과제로 남아있다. 하이브리드 구조체는 각각의 구조체의 특성과 다른 새로운 특성을 보인다. 

연구진은 컴퓨터 모델을 이용하여 기둥형 그래핀 나노구조체를 완성했다. 연구진은 기존에 보론-나이트라이드 구조체 모델을 통해서 열 전달 특성을 연구한 모델을 이번 연구에 적용했다. 연구진은 이번 모델을 통해서 1차원 탄노 나노튜브와 2차원 그래핀 시트의 특성을 가진 3차원 하이브리드 구조체를 완성했다. 연구진은 기계적 강도 및 변형 메커니즘을 실험했으며 탄성 및 비탄성 특성을 이해하는데 이번 모델이 효과적이라는 것을 확인했다. 그래핀와 같이 층상의 구조체는 평명 상태에서는 그 특성을 유지한다. 그러나 시트와 시트가 연결되는 견고함과 열전도성이 다소 변하게 된다. 이번 연구는 기둥형 그래핀 모델에서는 시트 형태의 모양과는 약 42%의 연성도가 향상되는 동시에 강도와 강성도가 다소 높아지는 것을 보여주고 있다. 

연구진은 원자가 이웃하는 원자들과 링 구조를 이루면서 결합하는 가운데 원자를 잃거나 얻는 과정에서 에너지가 어떻게 변화되는지를 계산했다. 이를 통해서 이웃하는 원자와 구조체의 연결의 특성을 확인하였다. 연구진은 이러한 계산 값을 기반으로 하여 그래핀 시트 내에 주름이 생기는 등 여러 변형 과정에서 그 특성이 어떻게 변하는지를 확인하였으며 또한 인위적으로 그 형태와 접합을 변화시켜 나타나는 특성 변화를 확인했다. 이번 연구는 원자 렌즈와 같이 원자 수준의 접합에서 3차원 탄소 나노물질의 특성 변화를 측정한 첫 결과이다. 연구진은 보론-나이트라이드, 몰리브덴/텅스텐과 같은 다른 물질의 조합에도 이번 연구결과를 적용할 계획이라고 밝혔다. 이번 연구는 저널 Carbon에 "Junction configuration-induced mechanisms govern elastic and inelastic deformations in hybrid carbon nanomaterials"라는 제목으로 게재되었다. (doi.org/10.1016/j.carbon.2015.08.106) 

그림. 탄소 나노튜브 기둥으로 서로 연결된 그래핀 하이브리드 구조체는 강도, 인성, 연성 부분에서 놀라운 특성을 보여주고 있다. 

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-09-25