미국 MIT의 물리학자들이 연필심에 사용되는 흑연, 즉 그래파이트에서 새로운 형태의 그래핀을 개발했다는 소식이 전해졌다. 이 그래핀은 흑연의 5층 능면체 구조를 적층하여 제작됐다. 흑연은 탄소로 구성된 광물로, 연필심의 주요 성분이다. 

MIT 뉴스에 따르면, 연구팀은 5개의 얇은 층을 특정 순서대로 쌓아 천연 흑연에서 볼 수 없었던 중요한 세 가지 특성을 지닌 새로운 재료를 만들어냈다.

이 연구를 이끈 물리학과 롱 주(Long Ju) 조교수는 "자연에는 놀라움이 많고, 특히 흑연에 많은 흥미로운 특성이 내장되어 있음을 발견했다"며, 이러한 다양한 특성을 지닌 재료를 찾는 것이 매우 드물다고 강조했다. 이 연구는 '네이처 나노테크놀러지(Nature Nanotechnology)'에 게재됐다.

5층 능면체 적층 그래핀 개발

흑연은 그래핀으로 구성되는데, 그래핀은 벌집 구조와 유사한 육각형 형태로 배열된 단일 탄소 원자 층이다. 그래핀은 약 20년 전 처음 분리된 이후로 집중적인 연구 대상이 되었다. 대략 5년 전, MIT 팀을 포함한 연구자들은 그래핀 시트를 쌓고 서로 약간 비틀면 재료에 초전도성에서 자성에 이르기까지 새로운 특성을 부여할 수 있다는 것을 발견했다. 

이러한 발견으로 '트위스트로닉스'라는 분야가 생겨났는데, 이는 2차원 격자 구조를 다양한 방식으로 겹쳐 나타나는 성질을 연구하는 것이다.

롱 주 조교수는 이번 그래핀 연구에서 "전혀 뒤틀림이 없는 특별한 특성을 발견했다"고 말했다. 그와 동료들은 특정 순서로 배열된 5개의 그래핀 층이 전자들이 물질 내에서 서로 상호작용할 수 있도록 하는 것을 발견한 것. 이러한 현상은 '전자 상관관계'라고 알려져 있으며, 주 연구원은 이를 "이러한 모든 새로운 특성을 가능하게 하는 마법"이라고 표현했다.

벌크 흑연과 단일 시트의 그래핀은 이미 우수한 전기 전도체로 알려져 있지만, 이것이 전부는 아니다. 주의 연구팀이 분리한 '5층 능면체 적층 그래핀'이라 불리는 새로운 물질은 단순한 부품의 합보다 훨씬 더 큰 성질을 나타낸다.

이 물질을 분리하는 데 핵심적인 역할을 한 것은 나노스케일에서 중요한 특성을 빠르고 비교적 저렴하게 파악할 수 있는 2021년 MIT에서 주 연구원이 개발한 새로운 현미경 덕분이었다. 5층 능면체 적층 그래핀의 두께는 수십억 분의 1미터에 불과하다.

'산란형 주사형 근접장 광학 현미경(s-SNOM)'으로 알려진 주 연구원이 개발한 현미경을 통해 과학자들은 특정한 능면체 적층 순서에서 5층 그래핀만을 식별하고 분리할 수 있었다.

주 연구원을 포함한 과학자들은 '능면체 적층'이라는 매우 정밀한 순서로 쌓인 다층 그래핀을 연구하고 있었다. 주는 "5개 레이어(층)로 이루어진 구조에서는 10개 이상의 적층 순서가 가능하며, 능면체 적층은 그 중 하나"라고 설명했다.

연구팀은 이 5층 능면체 적층 그래핀을 질화붕소로 만든 '빵'으로 둘러싼 '샌드위치' 구조에 전극을 부착했다고 이해하기 쉽게 설명했다. 이를 통해 다양한 전압과 전류를 사용하여 시스템을 조절할 수 있었으며, 그 결과 전자의 수에 따라 세 가지 다른 현상이 나타나는 것을 발견했다.

이들은 이 물질이 절연성, 자성 또는 위상학적 성질을 보일 수 있다는 것을 발견했다. 위상학적 물질(토폴로지, topology)은 물질의 가장자리를 따라 전자가 방해받지 않고 움직일 수 있지만, 중앙을 통과하는 것은 허용하지 않는 특성을 갖는다.

위상학적 물질에서 전자는 중심부를 구성하는 중앙 분리대에 의해 분리되며, 물질의 가장자리를 따라 고속도로처럼 한 방향으로 이동한다. 이로 인해 위상학적 물질의 가장자리는 완벽한 도체 역할을 하고, 중심부는 절연체가 된다.

주와 그의 연구팀은 이 연구를 통해 "강력하게 상관된 위상물리학의 새로운 가능성을 탐구하기 위한 고도로 조정 가능한 플랫폼으로서 능면체 적층 다층 그래핀을 확립했다"고 결론지었다. 이는 위상물리학 분야에서 새로운 연구 방향을 제시하는 중요한 발견으로 여겨진다.

카이스트, '납작한 벨트형 그래핀 섬유' 개발

한편, 한국의 카이스트(KAIST) 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀은 지난 6월 그래핀의 기존 응용범위와 한계를 뛰어넘는 새로운 형태의 그래핀 섬유를 개발하는데 성공했다.

이 새로운 기술은 값싼 흑연을 사용하여 용액 공정을 통해 쉽게 얻을 수 있으며, 기존의 탄소섬유보다 저렴하면서도 유연성과 같은 차별화된 물리적 특성을 지니고 있어 경제적인 장점도 갖추고 있다.

그래핀(Graphene)은 탄소 원자가 벌집 모양으로 이뤄진 2차원 물질(원자만큼 얇은 물질)이다. 이론적으로 강철보다 100배 강하고 열·전기 전도성이 뛰어나기 때문에 꿈의 신소재로 불린다.

김상욱 연구팀의 이번 성과가 높게 평가받는 이유는 100% 그래핀으로 이뤄진 섬유가 만들어지는 과정에서 스스로 납작해져서 벨트와 같은 단면을 형성하는 현상을 세계 최초로 발견했다는 점이다.

이 납작한 벨트형 그래핀 섬유는 내부에 적층된 그래핀의 배열이 우수해 섬유의 기계적 강도와 전기전도성이 크게 향상됐다는 평가다. 연구 결과, 이 섬유는 원형 단면을 갖는 일반 섬유에 비해 기계적 강도가 약 3.2배(320%), 전기전도성이 약 1.5배(152%) 향상된 것으로 나타났다. 해당 연구 논문은 그 성과를 인정받아 'ACS 센트럴 사이언스'의 7월호 표지에 게재됐다.