<풀러렌-버키볼>

-버키볼 : 탄소의 새로운 형태-

 예전에 관심있던 화학의 질문은...<탄소의 기본적인 형태는 무엇인가?> 이다. 이 질문에 대한 대답은 이것이다. 순수한 탄소였을 때 탄소의 기본적인 형태는 흑연과 다이아몬드 이 두가지형태로 있다고 할 수 있다. 이 두가지 탄소의 형태는 이미 오래전부터 알려져 왔으며, 이것들은 탄소의 명확한 그물망 구조라고 믿어져 왔다.
 그러나 사실은 그렇지 않았다!  과학의 세계는, 1985년 라이스 대학의 리차드 스몰리(Richard smalley)와 영국 석세스 대학의 해리 W. 크로토(Harry W. Kroto), 그리고 그들의 연구원들이 C60이라는 분자구조를 갖은 새로운 탄소의 구조를 발견했다는 발표에 놀라고 말았다. 그들은 탄소의 새로운 분자구조 형태가 축구공과 비슷하다고 제안했다. 즉, 그 분자구조는 12개의 5각형과 20개의 6각형으로 형성되어 있으며 각각의 5각형들은 완벽하게 6각형들에게 둘러싸여있다고 제안했다. 이 구조는 미국의 혁신적인 엔지니어이자 철학자였던    R. 버크민스터 플러가 발명한 기하학적 원형구조를 생각나게 한다. 그리하여 이 탄소의 동소체의 공식적인 이름은 <버크민스터 플러렌> 또는 좀더 간단하게 <플러렌>이라 명명되었다. 그리고 많은 화학자들은 C60을 간단하게 <버키볼>이라 언급하였다. 크로토, 스몰리, 그리고 로버트 F. 컬은 이 발견의 업적을 기리고자 1996년 노벨 화학상을 수상하게 된다. 더 큰 원자량을 갖은 플러렌, C70이나 C84같은 것들도 계속 연구중이다. 이 플러렌들은 매우 높은 개발, 실용 가능성을 가지고 있다.
 이 플러렌들은 마치 불완전한 알켄족같이 행동하며 좋은 dienophiles를 갖는다. C60과 C70은 또한 빛에 매우 민감하고, 산소원자와 높은 반응성을 보인다. 많은 다른 플러렌들의 다양한 구조적 부산물들도 제작되었다. 이들의 부산물에서 파생된 양이온(cationic=cation)과 같이, 예를 들어 DNA를 단단히 묶어주는 것과 같은 이것들은 전자현미경으로 관찰하는 데에 쓰일 수 있다.

1.플러렌의 발견
=>위의 크로토, 컬, 스몰리는 적색 거성 주위에서 전파 천문학자들이 분광학적으로 발견한 탄소뭉치에 대해 조사하고 있었다. 이들은 레이저광선을 흑연에 쪼여, 기체상태의 탄소원자뭉치(atomic cluster)를 만들고, 이를 질량분석기로 분석한 결과 다음과 같은 질량스펙트럼이 측정되었다.

->측정결과 분자량(1몰)이 720g/mol인 물질이 상당량 발견되었다.
=>이들은 탄소 60개로 형성되어 있고 몰질량이 720g/mol인 이 물질을 바구니 구조로 예측하고, 이런 기하형태를 처음으로 제시한 건축가 버크민스터 풀러(Buckminster Fuller)의 이름을 따서 -버크민스터 풀러렌-이라고 명명하였다.
2.플러렌의 구조

       

=>위의 두 그림은 모두 플러렌의 구조이다. 플러렌의 구조는 X-ray 회절법과 전자 회절법에 의해서 밝혀졌다.  

 

 

=>플러렌은 축구공과 유사한 구조로 옆의 그림에 표시된   것과 같이 20개의 6각형과 12개의 5각형으로 구성되어    있는 그물 형태의 구조를 가지고 있다.
 =>플러렌의 탄소는 모두 동등하고, 각 탄소는 두 개의    육각형들과 한 개의 오각형을 연결해주는 다리 역할을  해준다.

 

 

 

3.플러렌의 화학적 구성
-탄소의 혼성오비탈-
=>입체수가 3인 혼성을 이루고 있다.
=>이중결합의 π결합의 전자들은 두루 구름처럼 퍼지는 형태로 비편재화 되어 있으며, 각 탄소원자에서 모두 60개의 p오비탈은 혼합되어 60개의 분자오비탈을 형성한다.
4.플러렌의 제조
⑴제조 방법
=>1990년, 비활성 기체 분위기 하에서 두 개의 탄소막대 사이에 전기방전을 걸어줌으로써 합성하였다.
⑵플러렌류
=>플러렌이란 C60만을 지칭하는 말이 아니다. C60를 합성할 때 풀러렌류라 불리우는 닫힌 바구 모양의 탄소화합물 유사체들이 동시에 생성된다.
--->모든 플러렌류는 짝수개의 원자를 갖고, 탄소의 수도 좀더 거대해진다.
몇가지의 예)

5.플러렌의 특징
⑴쉽게 환원된다.
=>플러렌 분자는 전기화학적으로 전위를 이용하여 전자가 반결합성 π결합에 들어감으로써 쉽게 환원된다.
--->이 특징으로 말미암아 1족 금속들과 반응하여 환원되어 같은 이온성 염을 형성하기도 한다.
⑵신물질 합성에 용의하다.
=>플러렌을 합성시, 탄소수를 계속 늘려가면서 결합시키면, 한쪽으로 길게 늘어나 양쪽이 구모양인 튜브를 만들 수 있는데, 이를 버키튜브, 또는 나노튜브라 한다.
->혼성을 갖는 수천개의 탄소 원자들이 육면체를 형성하면서 이음매가 없는 원통의 껍질 모양을 형성한다.
=>튜브의 양 끝은 유면체 그물구조에 오면체를 주입함으로써 뚜껑을 덮을 수 있다.
①이 튜브는 지름이 1 나노미터수준(1nm=)으로 매우 작다.
②길이는 계속 탄소와 결합시켜 처음 길이의 1만배 이상으로 길게 만들 수 있다.
③모양을 바꾸면 반도체 또는 도체의 성질을 반복하여 띄게 되어, 곧 한계에 다다를 반도체의 집적 정도를 1000~10000배 정도 향상시킬 수 있다.(연구 결과)
=>이들 구조는 원통 내부, 표면에 모두 비편재화된 π전자계를 가지고 있기 때문이다.
=>나노튜브 제작시 어느 각도로 말 것인가, 튜브의 직경이 얼마나 되게 말 것인가가 문제가 된다. 이에 따라 탄소 나노튜브는 금속과 같은 전기적 도체가 되기도 하고 또 전기가 잘 안통하는 반도체가 되기도 한다.
=>이론적으로는 집적도가 테라(1012 즉 1조)DRAM인 집적회로를 제작할 수 있다고 한다.


④탄성과 강도가 매우 좋다.
=>강한 탄소 공유결합으로 화학적으로 안정--->외부 충격이나 마찰에 강하다.
=>강철보다 1백 배 강하지만 무게는 6분의 1밖에 안 되는 구조물을 만들어내는 등 재료과학의 혁명을 약속하고 있다.
⑶수소 저장 수단으로 가능성이 높다.
=>이 경우는 분자자신의 수소화에의한 수소저장이 검토되고 있다. 플러렌은 탄소원자가 축구공으로 보이는 기하학적 모양을 하고 있으며 정점에 위치한 직경 1nm의 가마모양의 탄소분자가 있으며, 오토클래이브 (6.9MPa, 400도)와 촉매를 이용하여, 최대 C60H36의 조성까지 탄소화하는 것이 가능하다(4.8wt.%상당).
=>단, 이 반응에서는 수소화 탈수소화 시간이 걸리므로 수소를 신속하게 빼고 넣는 것은 할 수 없다.
⑷플러렌의 빈 공간에 다른 금속을 가둘 수 있다.
=>플러렌을 합성할 때 다른 원자가 있으면 형성되는 캡슐 속에 가둘 수 있다.
①Gd@C82제작 (Gd : 원자번호 64, Gadolinium, @-플러렌 안에 가두어져 있다는 표시)
=>55­65 Torr 정도의 압력 및 17 ℓ/m의 헬륨 flow에서 Gd/graphite 타겟을 직류(약 500 A 및 21 V)에 의해 방전시킴으로서 제작되었다.
--->전자현미경에 의하면 플러렌 안에서 금속구들이 1nm 간격으로 채워져 1차원 결정 형태를 이루는 것으로 나타났다.
②La@C82 제작
=>흑연판을 용액 속에 담그고, 건조시켜서 레이저를 쪼이면 La@C82이 형성된다.
=>La@C82음이온은 ESR 실험으로 반자기성을 띄고 있음을 보여주었고, 핵자기 공명 분광법(NMR)으로 기하구조를 알아내었다.