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[표지로 읽는 과학]그래핀 탄소와 수소 공유결합 '소리'가 붙인다

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2019년 04월 28일 06:00 프린트하기

그래핀에서 탄소와 산소 간 공유결합이 형성될 때 음파가 접착제 역할을 한다는 사실이 밝혀졌다. 사이언스 제공
그래핀에서 탄소와 산소 간 공유결합이 형성될 때 음파가 접착제 역할을 한다는 사실이 밝혀졌다. 사이언스 제공

까만 구슬들이 손에 손을 잡고 끈끈한 유대관계를 형성한 가운데 하얀 구슬과 짝을 이룬 까만 구슬만 산처럼 우뚝 솟아 있다. 26일 국제학술지 '사이언스'는 그래핀 상에서 탄소 원자와 수소 원자 간에 공유결합이 형성되는 과정을 표지에 담았다. 

 

공유결합은 수소와 수소, 산소와 산소, 탄소와 두 산소 등 원자 여러 개가 전자를 방출하고 전자쌍을 형성하면서 만들어진 결합이다. 대부분의 화합물에는 공유결합이 있다. 이온결합 등 다른 화학적 결합에 비해 안정하고 단단하며 잘 끊어지지 않기 때문이다. 화학자들은 공유결합이 어떻게 단단한지 알아내기 위해 원자 단위에서 오랫동안 연구해왔다. 

 

리브 호르네커 덴마크 오후스대 물리학, 천문학 및 학제간 나노과학센터 교수팀은 육각형 탄소 덩어리가 얇은 판을 이루는 그래핀에서 탄소와 수소 간 공유결합이 생길 때 음파가 접착제 역할을 한다는 사실을 알아냈다. 수소원자(그림에서 하얀색)가 그래핀(검은색)과 충돌할 때, 일시적으로 탄소와 수소의 결합이 생긴다. 이 결합은 아직 완벽한 공유결합이 아니기 때문에 불안정하고 쉽게 끊어진다. 이때 주변에 있던 탄소 원자가 소리의 속도 만큼 빠르게 에너지를 발산한다. 이 음파(하얀 물결)는 탄소와 수소 결합을 안정화해 더욱 단단하게 만든다. 

 

이렇게 진귀한 현상이 일어나는 이유를 연구팀은 그래핀이 탄소 원자들이 서로 격자처럼 얽혀 있는 구조이기 때문으로 설명했다. 그래서 이들 중 하나가 산소와 결합하려고 할 때 주위에 있는 탄소가 에너지를 음파 상태로 잃는다.  

 

연구팀은 탄소와 수소간 공유결합 형성을 제어하면 그래핀의 특성을 조절할 수 있을 것으로도 기대하고 있다. 

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