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금 원자 1개분의 두께!, 극박막의 금박 탄생

금에 은이나 동을 섞어 얇게 편 ‘금박’은 불상이나 공예품의 장식으로, 또 요리에 뿌리는 재료로 사용되고 있다. 이 금박은 상상 이상으로 얇아, 그 두께가 0.0001mm이다. 그래도 이것은 금 원자 500개만큼의 두께가 된다.그런데 이번에 스웨덴 린셰핑 대학(Linköping University) 가시와야 슌(Shun Kashiwaya) 연구팀이 원자 1개 분량의 두께밖에 되지 않는 극도로 얇은 금 시트(금박)를 만들어 분리하는 데 세계 최초로 성공했다고 과학매체 Phy.org가 보도했다. 연구의 상세한 내용은 학술지 ‘Natur

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금에 은이나 동을 섞어 얇게 편 ‘금박’은 불상이나 공예품의 장식으로, 또 요리에 뿌리는 재료로 사용되고 있다. 이 금박은 상상 이상으로 얇아, 그 두께가 0.0001mm이다. 그래도 이것은 금 원자 500개만큼의 두께가 된다.

그런데 이번에 스웨덴 린셰핑 대학(Linköping University) 가시와야 슌(Shun Kashiwaya) 연구팀이 원자 1개 분량의 두께밖에 되지 않는 극도로 얇은 금 시트(금박)를 만들어 분리하는 데 세계 최초로 성공했다고 과학매체 Phy.org가 보도했다. 연구의 상세한 내용은 학술지 ‘Nature Synthesis’ 2024년 4월 16일 자에 게재돼 있다.

원자 1개만큼의 두께밖에 없는 시트 모양의 물질

원자 1개 분량의 두께만 있는 시트 형태의 물질로 유명한 것은 탄소 원자 시트인 그래핀(graphene)이다. 우리 주변에 존재하는 일반적인 물질은 무수한 원자가 쌓여 이루어져 있다. 반면에 이 그래핀은 그 원자들이 쌓이지 않고 원자 하나의 두께밖에 없다. 두께가 1nm로 극히 얇고 또 투명하다.

그래핀의 특징은 단순히 얇기만 한 것이 아니다. 다이아몬드에 필적하는 강도를 가지고 있으며, 전기 전도율은 구리의 10배로 최고 수준이다.

그래핀과 같은 원자 1개만큼의 두께만 있는 시트 형태의 물질은 ‘2차원 물질’이라고도 불리며, 흔히 볼 수 있는 물질과 같은 화학 조성이라도 그 성질은 크게 다르다. 그래서 유용한 성질을 가진 물질을 찾아서 다양한 2차원 물질을 만드는 연구가 시도돼 왔다.

실제로 그동안 규소의 2차원 물질 ‘시리센(Silicene)’, 주석의 2차원 물질 ‘스타넨(Stanene)’ 등이 생성돼 과학자들의 주목을 받아 왔다. 그리고 이번에 린셰핑 대학 연구팀이 만들어낸 것이 금 원자 1개분의 두께 밖에 없는 2차원 물질 ‘Goldene(이하, 골딘)’이다.

우연히 발견된 원자 1개 두께의 금 시트 ‘골딘’

과학자들은 오랫동안 원자 1개 두께의 금 시트를 만들어내기 위해 노력해 왔다.

금의 2차원 물질을 만들어내는 것은 쉽지 않은 작업이다. 설사 만들어낼 수 있다 하더라도 금의 2차원 물질은 매우 불안정하고 둥글게 뭉쳐 덩어리가 되려는 경향이 있기 때문에 지금까지 성공하지 못니다.

그런데 이번에 린셰핑 대학 연구팀은 다른 실험을 하던 중 우연히 금 원자 1개 분량의 시트인 ‘골딘’을 만드는 방법을 발견했다.

당초 그들은 ‘Ti3 SiC2’라는 티타늄과 규소 탄화물의 전기 전도성을 조사할 예정이었다. 그 때문에, 전기를 통하기 위한 재료로서 금을 이용해 ‘Ti3 SiC2’에 고온으로 코팅했다. 실험은 뜻대로 진행되지 않았지만, 연구팀은 이 실험 중 재료가 규소 원자 1개분의 층이 금 원자 1개분의 층으로 대체된 것을 발견했다.

이 현상은 ‘인터컬레이션(Intercalation, 삽입)’이라고 불리며 분자 또는 분자 집단의 틈에 다른 원소가 침입하는 반응으로 알려져 있다. 이 인터컬레이션에 의해서 ‘Ti3 SiC2’는 ‘Ti3 AuC2’로 변화한 것이다.

이 우연한 발견을 거쳐, 연구팀은 ‘Ti3 AuC2’에서 금 원자 1개만큼의 층을 추출하려 했다. 그리고 시행착오 끝에 ‘Ti3 AuC2’에서 금 층을 손상시키지 않고 티타늄 탄화물만 제거하는 방법을 찾았다.

골딘은 금박의 500분의 1 정도 두께로 눈으로 볼 수 없는 크기인데, 초극박이라고 할 수 있다. 그 특성에 관해서는 아직 해명되지 않은 부분이 많지만, 연구팀에 따르면, 수소를 생성하는 촉매로서의 가능성이나, 종래의 금보다 높은 전기 전도성 등이 기대된다고 한다.