How big is 버키볼?
1 nanómetro!
버키볼은 탄소 원자 60개가 이어져 닫힌 공 모양의 케이지를 이룬 분자이다. 케이지의 무늬는 축구공과 같다. 정식 이름은 버크민스터풀러렌이고, 화학식은 C60이다. 고체 안에 모여 있는 이웃한 버키볼의 중심 사이 거리로 재면 지름이 약 1나노미터이다. 1나노미터는 1미터의 10억분의 1이다.
크기
탄소 원자 60개는 케이지의 표면에 놓여 있으며, 케이지 안은 비어 있다. 이 분자를 발견한 사람들은 나중에 안에 금속 원자가 갇힌 탄소 케이지도 발견했다. 탄소 원자로 이루어진 케이지 자체의 지름은 0.71나노미터이다.
분자에는 뚜렷한 가장자리가 없다. 원자 둘레의 전자가 원자의 중심 너머까지 퍼져 있기 때문이다. 그래서 버키볼 하나가 차지하는 공간은 원자로 이루어진 케이지보다 크다. 고체 C60 결정에서 이웃한 분자의 중심 사이 거리는 1.0나노미터이다. 이 사이트의 1나노미터는 이 간격과 일치한다.
이 케이지에는 육각형 면 20개와 오각형 면 12개가 있다. 축구공의 조각도 같은 무늬를 따른다. 미국 건축가 R. 버크민스터 풀러가 1967년 몬트리올 만국박람회를 위해 설계한 지오데식 돔도 같은 무늬이며, 이 분자의 이름은 그의 이름에서 따왔다.
크기 비교
- 버키볼 약 80,000~100,000개를 옆으로 나란히 늘어놓으면 사람 머리카락의 굵기에 해당하며, 그 굵기는 0.08~0.1밀리미터이다.
- 축구공의 지름은 버키볼의 약 2억 2000만 배이다. 축구공을 같은 비율로 확대한다면 지름이 약 48,000킬로미터로, 지구 지름의 4배에 가깝다.
- 가장 큰 원자에 속하는 세슘 원자 2개를 옆으로 나란히 늘어놓으면 버키볼의 지름에 해당한다.
버키볼의 발견
로버트 컬, 해럴드 크로토, 리처드 스몰리는 대학원생 J. R. 히스, S. C. 오브라이언과 함께 연구하여 1985년에 버키볼을 발견했다. 이들은 탄소 표면에 강한 레이저 광 펄스를 쏘고, 떨어져 나온 탄소 원자를 헬륨 기체의 흐름과 섞었다. 원자들은 뭉쳐 덩어리를 이루었고, 원자 60개짜리 덩어리가 가장 많았다. 이 덩어리가 안정하다는 사실은 대칭성이 매우 높은 모양임을 시사했다.
1990년에 물리학자 W. 크레치머와 D. R. 허프먼이 C60을 모을 수 있을 만큼 많은 양으로 만들었다. 이를 연구한 결과 공 모양 구조가 확인되었다. 컬, 크로토, 스몰리는 풀러렌의 발견으로 1996년 노벨 화학상을 함께 받았다. 풀러렌은 버키볼이 속한, 닫힌 탄소 케이지의 한 계열이다.
우주 속의 버키볼
크로토는 탄소가 풍부한 거성의 대기에서 발견한 사슬 모양 탄소 분자가 어떻게 생기는지 알아내려고 이 실험에 참여했다. 발견 직후 과학자들은 버키볼이 그런 별 주변에 떠다닐 수도 있다고 제안했다. 2010년에 NASA의 스피처 우주 망원경이 우주에서 버키볼의 확실한 흔적을 처음으로 찾아냈다.
스피처는 죽어 가는 별이 내보낸 물질의 구름인 Tc 1에서 버키볼을 찾았다. 이 별은 한때 태양과 비슷했지만, 나이가 들면서 바깥층을 떨쳐 냈다. 천문학자들은 버키볼이 이렇게 떨어져 나간 탄소층에서 만들어졌다고 생각한다.
출처
- Press release: The Nobel Prize in Chemistry 1996. Royal Swedish Academy of Sciences, 1996.
- Raman Spectroscopy of Fullerenes: From C60 to Functionalized Derivatives. Qin et al., Molecules, 2025.
- Thermally Activated Sliding of C60 on Gold. Pierno et al., ACS Omega, 2025.
- Strain-Relief Patterns and Kagome Lattice in Self-Assembled C60 Thin Films Grown on Cd(0001). Wang et al., International Journal of Molecular Sciences, 2021.
- Space Balls (Artist's Concept). NASA Jet Propulsion Laboratory, 2010.
- Law 2: The Ball. International Football Association Board.
- Earth Fact Sheet. NASA, 2024.
- Cesium. PubChem, National Library of Medicine.
- Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.