How big is 탄소 나노튜브?
1 奈米!
탄소 나노튜브는 탄소 원자로 이루어진 아주 작고 속이 빈 관이다. 탄소 원자는 흑연을 이루는 층처럼 육각형 무늬로 이어져 있다. 벽의 두께가 원자 하나인 단일벽 나노튜브는 보통 지름이 약 1나노미터이다. 1나노미터는 1미터의 10억분의 1이다. 나노튜브는 너비보다 길이가 훨씬 길며, 길이는 마이크로미터, 곧 1미터의 100만분의 1 단위로 잰다.
크기
이 사이트의 1나노미터는 전형적인 단일벽 나노튜브의 지름이며, 관을 가로질러 잰 값이다. 너비는 관마다 다르다. 단일벽 나노튜브 34개를 조사한 한 연구에서는 지름이 0.7에서 1.2나노미터 사이로 측정되었다.
다중벽 나노튜브는 관 여러 개가 서로 안에 겹쳐 들어간 것이라서 더 넓다. 이이지마 스미오가 1991년에 설명한 나노튜브는 벽이 2개에서 약 50개였고, 지름이 몇 나노미터에서 몇십 나노미터였다.
길이도 관마다 다르다. 이 34개 관을 조사한 연구는 길이가 3마이크로미터보다 긴 관만 측정했으므로, 각 관은 길이가 너비의 최소 2,500배였다.
크기 비교
- 단일벽 나노튜브 약 80,000~100,000개를 옆으로 나란히 늘어놓으면 사람 머리카락의 굵기인 0.08~0.1밀리미터에 해당한다.
- 버키볼은 탄소 원자 60개로 이루어진 닫힌 공으로, 지름이 약 1나노미터이며 전형적인 단일벽 나노튜브의 지름과 비슷하다.
- 너비가 1나노미터이고 길이가 3마이크로미터인 나노튜브를 사람 머리카락 굵기인 0.1밀리미터로 확대한다면, 길이는 약 30센티미터로 자 하나의 길이일 것이다.
나노튜브의 발견
이이지마는 1991년 11월 7일 학술지 네이처에 탄소 나노튜브를 보고했다. 그는 버키볼을 만들 때 쓰는 방법과 비슷한 전기 아크로 나노튜브를 만들었다. 바늘처럼 생긴 관이 아크의 음극에서 자라났다. 전자 현미경으로 보니 바늘 하나하나는 탄소 층으로 된 관 2개에서 약 50개가 서로 안에 겹쳐 들어간 묶음인 것으로 드러났다.
각 관에서 탄소 원자의 육각형은 관을 나선형으로 감고 있다. 이이지마는 이런 관을 만들 수 있었다는 사실이 버키볼보다 훨씬 큰 규모로도 탄소 구조를 만들 수 있음을 시사한다고 지적했다.
1993년에는 두 연구팀이 단일벽 나노튜브를 보고했다. 이이지마 스미오와 이치하시 도시나리는 지름이 약 1나노미터인 관을 발견했다. 탄소에 코발트를 넣은 D. S. 베순과 동료들은 지름이 약 1.2나노미터인 관을 발견했다.
나노튜브 하나 관찰하기
나노튜브 하나는 눈으로 보기에는 너무 가늘지만, 일부 종류는 근적외선 빛을 낸다. 2009년의 한 연구에서 연구자들은 이 빛을 이용해 물속의 나노튜브 하나하나를 형광 현미경으로 촬영했다. 주변 액체가 무작위로 부딪치는 바람에 관은 이리저리 휘었는데, 이런 움직임을 브라운 운동이라고 한다.
연구자들은 이렇게 휘는 모습에서 나노튜브의 뻣뻣함이 지름의 세제곱에 비례해 커진다는 것을 알아냈다. 너비가 2배인 관은 휘기가 8배 어렵다. 너비에 비해 매우 긴 길이, 강도, 전기적 성질 덕분에 나노튜브는 공학 재료와 의학 분야에 쓰기에 알맞다.
출처
- Diameter-dependent bending dynamics of single-walled carbon nanotubes in liquids. Fakhri et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, 2009.
- Helical microtubules of graphitic carbon. Sumio Iijima, Nature, 1991.
- Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter. Iijima and Ichihashi, Nature, 1993.
- Cobalt-catalysed growth of carbon nanotubes with single-atomic-layer walls. Bethune et al., Nature, 1993.
- Thermally Activated Sliding of C60 on Gold. Pierno et al., ACS Omega, 2025.
- Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.