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신비한 비정질 탄소: 구조가 왜 그렇게 독특한가요?
재료과학과 현대 화학에서 비정질 탄소는 탄소의 특별한 형태로서 수많은 연구자들의 관심을 끌었습니다. 이러한 유형의 탄소는 결정 구조가 없다는 점에서 독특하며 이는 매우 유연하고 변화 가능한 물질입니다. 비정질 탄소는 종종 간단히 aC라고 하며, 수소와 결합하면 aC:H 또는 수소화 비정질 탄소(HAC)라고 하며, 사면체 비정질 탄소는 준C:H 또는 수소화라고도 알려진 ta-C라고 합니다. 비정질 탄소(HAC). 물리 과학 분야에서 비정질 탄소에 대한 연구는 전자 장치에서 생물 의학에 이르기까지 다양한 잠재적 응용 분야를 밝혀냈습니다. 비정질 탄소의 독특한 특성은 이를 심층적으로 탐구할 가치가 있는 재료로 만듭니다.
비정질 탄소 재료는 수소와 결합하여 모서리의 π 결합을 제거함으로써 구조를 안정화시킬 수 있습니다.
광물학에서 비정질 탄소라는 용어는 석탄, 탄화물 유래 탄소 및 기타 불순한 형태의 탄소를 설명하는 데 사용됩니다. 이러한 물질은 일반적인 흑연이나 다이아몬드가 아닙니다. 이러한 재료는 결정학적으로 완전히 비정질이 아니지만 흑연이나 다이아몬드가 포함된 다결정 재료인 경우가 많습니다. 상업적인 용도에서 비정질 탄소는 종종 중요한 결정질 불순물을 형성할 수 있는 다른 원소를 포함하여 비정질 탄소의 특성을 더욱 복잡하게 만듭니다.
20세기 후반 화학기상증착, 스퍼터 증착, 음극아크증착 등 현대적인 박막증착 및 성장기술의 발달로 진정한 비정질 탄소재료가 탄생하게 되었다. 이러한 물질은 흑연의 방향족 파이 결합과 비교하여 탄소의 다른 동소체와 일관된 길이로 형성되지 않는 국부적인 파이 전자를 보유합니다. 비정질 탄소는 또한 상대적으로 높은 댕글링 결합을 함유하고 있어 원자 간 거리의 편차가 5% 이상 발생할 수 있으며, 결합 각도의 상당한 변화도 관찰할 수 있습니다.
비정질 탄소막의 특성은 증착 중에 사용되는 매개변수에 따라 달라집니다.
비정질 탄소의 주요 특성화 방법은 물질 내 sp2와 sp3 혼합 결합의 비율을 측정하는 것입니다. 흑연은 전적으로 sp2 혼합 결합으로 구성되어 있는 반면, 다이아몬드는 전적으로 sp3 혼합 결합으로 구성되어 있습니다. 재료 중 sp3 혼합 결합의 비율이 높을 때 이러한 유형의 비정질 탄소를 사면체 비정질 탄소 또는 다이아몬드형 탄소라고도 합니다. 이는 sp3 혼합결합으로 형성된 4면체 형태로 인해 이러한 유형의 물질이 다이아몬드와 유사한 많은 물리적 특성을 가지게 되기 때문입니다. 실험적으로 sp2와 sp3의 비율은 EELS, XPS 및 라만 스펙트럼을 포함한 다양한 스펙트럼 피크의 상대 강도를 비교하여 결정할 수 있습니다.
흥미롭게도 흑연과 다이아몬드 사이의 비정질 탄소재료의 1차원적 성질 변화는 sp2와 sp3의 비율에 따라 나타날 수 있지만 실제로는 그렇지 않습니다. 현재 연구는 비정질 탄소 재료의 특성과 잠재적 응용에 대한 통찰력을 제공하고 있습니다. PAH, 타르는 일상 생활에서 발견되는 수소화된 탄소 물질(예: 연기, 굴뚝 먼지, 역청 및 무연탄과 같은 채굴 석탄)에 다량으로 존재하므로 거의 모두 발암성이라는 사실을 무시할 수 없습니다.
또한 최근 몇 년간의 연구에서는 Q-카본이라는 새로운 비정질 탄소 소재가 소개되기도 했습니다. 어닐링된 탄소(annealed carbon)라고 불리는 Q-탄소는 강자성체이고 전도성이 있으며 다이아몬드보다 훨씬 단단하고 고온 초전도성을 입증할 수 있다고 주장됩니다. 2015년 Jagdish Narayan 교수와 그의 연구팀은 처음으로 Q-탄소의 발견을 발표했습니다. 그들은 Q-탄소의 합성과 특성화에 관한 많은 논문을 발표했지만, 몇 년이 지난 후에도 이 물질의 특성은 아직 독립적인 실험을 통해 검증되지 않았습니다.
연구자들에 따르면 Q-탄소는 불규칙한 비정질 구조를 나타내며 sp2와 sp3 결합으로 얽혀 있습니다.
그들의 팀은 나노초 레이저 펄스를 사용하여 탄소를 녹인 다음 빠르게 냉각하여 Q-탄소 또는 Q-탄소와 다이아몬드의 혼합물을 형성했습니다. 이 물질은 나노바늘 모양의 구조부터 대형 다이아몬드 필름까지 다양한 형태를 취할 수 있습니다. 그들은 또한 질소공극 나노다이아몬드와 Q-질화붕소 같은 물질을 만들고 주변 온도와 압력에서 탄소를 다이아몬드로 변환하는 기술을 만들었다고 보고했습니다. 2018년 오스틴에 있는 텍사스 대학의 연구자 그룹은 Q-카본의 고온 초전도성, 강자성 및 경도에 대한 이론적 설명을 제안하기 위해 시뮬레이션을 사용했지만 이러한 결과는 다른 사람들에 의해 확인되지 않았습니다.
어쨌든 비정질 탄소에 대한 연구는 계속해서 심도 있게 진행되고 있으며, 이 특별한 형태의 탄소 소재는 큰 잠재력을 갖고 있습니다. 미래의 발전은 우리의 삶과 기술에 어떤 영향을 미칠까요? 시간만이 답을 줄 수 있을까요?
