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탄탄기 탄소의 비밀: 왜 비정질 탄소라고 불리는가?
자연에서 탄소는 흑연과 다이아몬드를 포함한 다양한 형태로 존재합니다. 하지만 많은 사람들은 비정질 탄소의 개념에 익숙하지 않을 수도 있습니다. 비정질 탄소는 실제로 특정한 물질이 아니라 공통적인 특성을 지닌 탄소 소재의 한 종류이며, 주요 특징은 결정 구조가 없다는 것입니다.
비정질 탄소는 결정 구조가 없는 자유롭고 반응성 있는 탄소입니다.
석탄의 화학적 구성
광물학에서 비정질 탄소라는 이름은 주로 석탄, 탄화물 유래 탄소, 흑연이나 다이아몬드가 아닌 기타 불순한 형태의 탄소를 설명하는 데 사용됩니다. 이러한 물질은 실제로 결정학에서는 완전히 비정질은 아니지만, 비정질 탄소 매트릭스에 배열된 흑연이나 다이아몬드와 같은 다결정 물질로 구성됩니다.
현대 과학에서의 응용
20세기 후반 화학 기상 증착, 스퍼터링 증착, 음극 아크 증착과 같은 현대식 박막 증착 및 성장 기술이 개발되면서 이제는 진정한 비정질 탄소 재료를 만드는 것이 가능해졌습니다. 진정한 비정질 탄소는 다른 탄소 동소체와 일치하지 않는 결합 길이와 거리를 가진 국부적인 π 전자를 포함합니다.
또한 높은 농도의 매달린 결합을 가지고 있어서 회절을 사용하여 측정하면 원자 간격이 5% 이상 달라집니다.
비정질 탄소의 특성
비정질 탄소 박막의 특성은 증착 공정의 매개변수에 따라 달라지며, 주요 특징은 sp2와 sp3 하이브리드 결합의 비율입니다. 흑연은 순수한 sp2 혼성 결합으로 구성되는 반면, 다이아몬드는 순수한 sp3 혼성 결합으로 구성됩니다. sp3 혼성 결합 함량이 높은 물질은 sp3 혼성 결합이 사면체 구조를 형성하기 때문에 사면체 비정질 탄소라고 합니다.
높은 sp3 혼성 결합을 갖는 비정질 탄소는 다이아몬드와 유사한 많은 물리적 특성을 가지고 있습니다.
Q-Carbon의 탐사
Q-탄소, 또는 급속 냉각 탄소는 강자성, 전기 전도성을 가지고 있으며 다이아몬드보다 단단하고 고온 초전도성을 나타낼 수 있는 비정질 탄소로 주장되는 물질입니다. 이 물질은 2015년 노스캐롤라이나 주립대학의 연구진에 의해 발견되었고, 연구진은 이 물질의 합성과 특성에 관해 여러 편의 연구 논문을 발표했습니다.
그러나 아직까지 해당 물질과 그 특성을 확인한 독립적인 실험은 없습니다.
미래 연구 방향
Q-Carbon에 대한 연구는 진행 중이지만, 주장된 특성은 아직 추가 검증이 필요합니다. 많은 연구자들이 비정질 탄소 소재의 특성을 연구하여 응용 범위를 확대하고자 노력하고 있습니다.
비정질 탄소에 대한 탐구는 탄소에 대한 우리의 이해를 더욱 확장시켜 줍니다. 이는 재료 과학의 혁신일 뿐만 아니라 미래 기술에 대한 완전히 새로운 방향을 제공할 수도 있습니다. 하지만 이러한 소재가 실제 응용 분야에서 정말로 잠재력을 발휘할 수 있을지는 여전히 우리가 심도 있게 고려해 볼 만한 질문입니다.
