2009년 합성 이후 그래핀은 다른 산업 중에서도 전자, 의학, 에너지에 응용되는 경이로운 소재로 불려 왔다. 반면에 미묘한 차이가 있는 유사한 물질인 그래핀은 오랫동안 화학자와 화학 엔지니어의 합성을 피했다. 그러나 연구원들은 이러한 작은 차이로 인해 그래핀이 더 빠른 전자 장치를 설계하는 데 더 나은 선택이 될 것이라고 가정했다.

Nature Synthesis에 발표된 연구에서 콜로라도 대학교 볼더와 칭다오 과학 기술 대학교의 과학자들은 대량의 그래핀 합성을 보고했다.

그래핀과 마찬가지로 대칭 격자로 배열된 탄소 원자의 단일 층으로 존재한다. 원자가 단일 결합과 이중 결합으로 묶여 있는 그래핀과 달리 그래핀의 탄소 원자는 단일 결합, 이중 결합 및 삼중 결합으로 서로 결합되어 있다.

출처: Y Hu 외, Nat Synth, 2022

탄소: 놀라운 원소

일부 화학 원소는 동소체로 알려진 여러 물리적 형태로 존재한다. 원자는 동소체에 따라 다르게 배열되어 서로 다른 물리적 특성을 제공한다. 가장 잘 알려진 두 가지 탄소 동소체는 흑연과 다이아몬드이다. 둘 다 순수한 탄소이다. 그러나 다이아몬드에서는 탄소 원자가 조밀한 격자로 배열되어 있어 경도가 매우 높다. 반대로 탄소 원자는 흑연에서 느슨한 층으로 배열되어 있어 흑연의 벗겨짐을 설명한다.

모든 원소 중에서 탄소는 강력한 나노 크기의 튜브에서 60개의 원자 "버키볼", 유리처럼 보이는 것에 이르기까지 가장 다양한 동소체를 가지고 있다. 두 가지 이유가 있다. 첫째, 탄소 원자는 동시에 최대 4개의 서로 다른 원자에 결합할 수 있다. 둘째, 탄소는 4개의 원자를 동시에 결합할 수 있는 실리콘과 같은 다른 원소와 비교해도 긴 사슬과 구조를 쉽게 형성한다. (이것이 외계 생명체가 규소 기반이 아닌 탄소 기반일 가능성이 높은 이유이다.) 이러한 탄소-탄소 결합이 강하여 원소가 다양한 종류의 안정적인 동소체를 형성할 수 있다.

그래핀 만들기

현재 연구의 초점은 그래핀의 가장 안정적인 이성체인 γ-그래핀("감마" 그래핀)에 있었다. (참고: 동소체와 이성질체는 동일하지 않다. 동소체는 반드시 같은 수의 원자를 가질 필요는 없지만 이성질체는 있다. 이성질체는 구조에 의해서만 다르다.)

그래핀 합성에 대한 초기 접근 방식은 비 가역적인 화학 반응에 의존했다. 결과적으로 탄소 원자의 잘못된 배열이 지속되어 격자가 불안정해졌다. 이 연구에서 과학자들은 탄소 사슬에서 화학 결합을 재분배하는 알킨 복분해라는 가역적 메커니즘을 사용하여 본질적으로 분자가 자신의 한 부분을 다른 분자의 다른 부분으로 교환할 수 있도록 했다.

출처: Y Hu 외, Nat Synth, 2022

위에 표시된 것처럼 이 프로세스는 금속 촉매를 사용하여 삼중 결합으로 연결된 주기적 격자에서 벤젠 고리(단일 결합과 이중 결합이 번갈아 있는 6개의 탄소 분자)를 재배열한다.

화학 반응은 까다롭다. 필요한 재료를 단순히 섞는다고 해서 만족스러운 결과가 보장되는 것은 아니다. 얻어지는 생성물의 상대적 비율은 반응 조건에 따라 다르다. "역학 제어" 하에서 제품의 비율은 제품이 형성되는 속도에 따라 달라진다.

"열역학적 제어" 하에서는 보다 안정적인 제품이 선호된다. 또한 오류가 없는 크고 안정적인 격자인 그래핀을 생성하기 위해 저자는 이 두 가지 반응 제어 방법의 균형을 신중하게 조정해야 했다. 이를 달성하기 위해 저자는 그래핀을 구성하기 위해 두 가지 다른 벤젠 파생물을 사용했다. 며칠 후, 짙은 검은색 고체가 용액에서 침전되었다: γ-그래핀

그래핀이 그래핀을 대체할 것인가?

이론가들은 이전에 그래핀에 대한 흥미로운 기계적, 전자적, 광학적 특성 범위를 제안했다. 이것은 잠재적으로 반도체 산업에 엄청난 영향을 미친다. 그래핀과는 달리, 그것의 전자적 특성은 독특한 대칭으로 인해 방향 의존적인 것으로 제안된다. 또한 전도성 전자가 있어 도핑이 필요하지 않다. 이 두 가지 특성은 그래핀에 비해 더 나은 반도체로 만들어야 한다.

이제 화학자들은 의미 있는 양을 생성하는 프로세스를 갖추었으므로 연구가 실제로 진행될 수 있다.