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나노(10억 분의 1미터) 크기의 축구공 모양 자석의 존재와 원리가 국내 연구진에 의해 밝혀졌습니다.

이철의 교수

한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업의 지원을 받아 연구를 수행한 고려대학교 물리학과 이철의 교수팀은 탄소원자 60개가 연결된 나노크기 축구공 모양의 분자인 풀러린(fullerene)이 수소를 흡착하면, 상온에서 영구자석으로 변하는 원리를 규명했습니다.

특히 이번 연구는 최근 노벨물리학상 수상의 주인공인 꿈의 신소재 '그래핀'으로 인해 전 세계 연구자로부터 각광 받는 탄소의 물성에 대한 이론적 연구로서, 지난 10년간 학계의 풀리지 않은 수수께끼였던 풀러린으로 영구자석을 만들 수 있는지에 대한 논쟁에 종지부를 찍었다는 점에서 의미가 있습니다.

기존의 자석은 철과 같은 중금속으로 단단하지만 무거운 반면, 탄소는 가벼우면서도 단단한 친환경 소재로서, 귀금속에 쓰이는 다이아몬드에서부터 연필심에 활용되는 흑연까지 매우 다양한 형태를 갖는 특징이 있습니다.

과거 2006년 이 교수팀은 흑연이 영구자석이 되는 원리를 밝힌 바 있습니다.

이 교수팀은 풀러린에 흡착된 수소가 풀러린 분자 표면에 갇힌 전자를 생성하면, 이 전자들 간의 상호작용에 의해 새로운 에너지띠를 형성하는데, 이 에너지띠가 바로 영구자석을 만드는 원인임을 규명했습니다.

특히 연구팀은 풀러린에 흡착된 수소의 수가 홀수일 때만 영구자석이 되는데, 일단 홀수의 수소가 흡착되면 숫자에 관계없이 동일한 세기의 영구자석이 된다는 사실도 확인했습니다.

이번 연구는 지난 10년간 논쟁의 중심에 섰던 풀러린으로 영구자석을 만들 수 있음을 처음으로 밝힌 것으로,  나노크기의 풀러린 영구자석은 향후 차세대 MRI용 조영제나 새로운 암치료법 등 다양하게 활용될 전망입니다.

이번 연구결과는 물리학 분야의 권위 있는 학술지인 '피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)'지 4월 22일자에 게재 됐습니다.  (논문명 : Intrinsic Impurity-Band Stoner Ferromagnetism in C60Hn)

 용  어  설  명

풀러린(fullerene) : 탄소만으로 이루어진 속이 빈 축구공 모양의 분자.

에너지띠(energy band) : 현대 물리학의 근간인 양자이론은 물질의 특성을 에너지띠 구조로 설명한다. 물질의 전기적 또는 자기적 특성은 그 물질을 구성하는 전자에 의해 결정된다. 에너지띠는 전자가 가질 수 있는 에너지 영역을 결정함으로써 물질의 다양한 특성을 기술한다.


<풀러린 분자

풀러린 분자

수소 흡착된 풀러린 분자

파란 공은 탄소 원자, 녹색 공은 수소 원자에 대응한다.
연두색 공은 풀러린에 갇힌 전자 분포를 보여준다.

 

 

posted by 글쓴이 과학이야기

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