꿈의 신소재로 불리는 그래핀. 전기전도성과 열전도성을 갖고 있으면서 강도가 높아 디스플레이나 에너지 재료로 사용되고 있다. 그런데 이 그래핀으로 금을 만드는 연구가 진행됐다.

미국 매사추세츠 공과대학(MIT)의 연구팀이 특정 순서로 쌓인 5개의 초박편 조각을 분리해 흑연을 금으로 만들었다.

과학지 마이닝닷컴(mining.com)은 국제학술지 '네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)'에 발표된 MIT 연구팀의 금 생성 과정을 최근 소개했다.

연구에 따르면 생성된 물질이 이전까지 자연 흑연에서 볼 수 없었던 세 가지 중요한 특성을 나타내도록 조정될 수 있다.

흑연은 벌집 구조와 유사한 육각형으로 배열된 단일 탄소 원자층인 그래핀(탄소 동소체 중 하나)으로 구성된다. 약 20년 전에 처음 분리된 이후로 그래핀은 강력한 연구 대상이 되었다. 특히, 약 5년 전 연구자들은 그래핀 시트를 서로 약간의 각도로 비틀어 쌓음으로써, 재료에 초전도성에서 자성에 이르는 새로운 특성을 부여할 수 있다는 사실을 발견했다. 이러한 연구는 '트위스트로닉스' 분야의 탄생으로 이어졌다.

MIT의 수석 연구원 롱 주(Long Ju)는 이 연구에 대해 언급하면서, "전혀 비틀지 않아도 흥미로운 특성을 발견했다"고 말했다. 그와 동료들은 특정한 순서로 배열된 5개의 그래핀 층이 물질 내부를 돌아다니는 전자들이 서로 상호작용할 수 있게 한다는 것을 발견했다. 이러한 전자 상관관계(electron correlation) 현상은 새로운 재료 특성을 가능하게 하는 '마법'으로 묘사된다.

단순한 대량의 흑연이나 심지어 단일 그래핀 층은 기본적으로 우수한 전기 전도체에 불과하다. 주 연구원 팀이 분리한 이 재료는 몇십 나노미터 두께밖에 안 되지만, 그 부분들의 합보다 훨씬 더 많은 역할을 수행한다.

연구팀은 '능면체 적층(rhombohedral stacking)'으로 알려진 특정한 순서로 적층된 다층 그래핀을 연구하고 있었다. 연구원은 이에 대해, "5개의 층을 쌓을 때 가능한 순서는 10가지 이상이 있으며, 능면체 적층은 그 중 하나에 불과하다"라고 언급했다.

주 연구원이 2021년에 개발한 특별한 현미경은 나노 규모에서 재료의 다양하고 중요한 특성을 신속하고 상대적으로 저렴한 비용으로 결정하고 분리하는 데 사용됐다. 이 현미경의 도움을 받아, 연구팀은 보론 질화물로 만들어진 '빵'과 같은 구조의 작은 샌드위치에 전극을 부착했고, 이는 펜타레이어(5층) 마름모형으로 쌓인 그래핀의 연약한 '육질(meat)' 부분을 보호한다. 이 전극을 활용해 시스템에 다양한 전압이나 전기량을 적용할 때, 전자 수에 따라 세 가지 다른 현상이 관찰됐다.

주 연구원은 "우리는 재료가 절연성, 자성 또는 위상학적 성질을 가질 수 있음을 발견했다"고 말했다. 위상학적 성질은 도체와 절연체 둘 다와 어느 정도 관련이 있는 특성이다.

기본적으로, 위상학적 물질은 물질의 가장자리를 따라 전자가 방해받지 않고 이동할 수 있게 하지만, 물질의 중간을 통과하는 것은 허용하지 않는다. 이러한 전자들은 재료의 가장자리를 따라 한 방향으로만 이동하며, 물질의 중앙을 가로지르는 중심선에 의해 중간 부분과 구분된다. 결과적으로 위상학적 재료의 가장자리는 완벽한 전도체 역할을 하고, 중앙 부분은 절연체로 작용한다.

롱 주의 연구팀은 "우리의 연구는 마름모형으로 쌓인 다층 그래핀을 사용하여, 위상학적 물리와 관련된 새로운 가능성을 탐구하기 위한 높은 조절 가능성을 가진 플랫폼으로 확립한다"고 말했다.