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벌집구조의 고분자 Inven.Discov.Tech.


벌집구조의 고분자 - graphene

벌집구조의 고분자

재료 구조 모델과 중첩된 2차원 다공성 고분자의 주사 터널링 현미경 이미지



2차원 탄소 구조인 그라핀(graphenes)은 반도 산업의 실리콘을 대체할 수 있는 후보로 고려된다. 이러한 그라핀의 전자 성질은 구조 내에서 특정한 구멍을 형성함으로써 변화될 수 있다. 최근 스위스 엠파(Empa) 연구소 및 독일 막스 플랑크 고분자 연구소(Max Planck Institute for Polymer Research)의 연구진은 원자 정확도를 갖는 그라핀과 같은 다공성 고분자의 합성을 최초로 성공시킬 수 있었다.


그라핀은 탄소 원자가 육각형 격자로 정렬된 2차원 탄소 층으로 구성된다. 한편 탄소 나노튜브는 그라핀 시트가 말려 형성되며, 그라핀 시트가 두껍게 뭉쳐져 흑연이 형성된다. 그라핀은 특별한 성질을 갖고 있는데, 잘 찢어지지 않고, 우수한 열 전도성을 갖고 있으며, 부스러짐과 연성의 반대적인 성질이 조화되어 있다. 또한, 그라핀에는 기체가 침투하지 않아 공기가 충진 된 멤브레인 분야에도 활용될 수 있다. 한편, 그라핀의 특이한 전자 성질로 인해 반도체 기술 분야에서 실리콘을 대체할 후보 물질로 고려되기도 한다.


그라핀 시트에 특정한 크기와 분포로 구멍을 삽입하게 되면 특이한 전자 특성이 나타난다. 이러한 이유로 인해 2차원의 그라핀 유사 고분자의 합성과 특성 규명을 위해 전세계적으로 심도 있는 연구가 진행되고 있다. 그라핀 및 그라핀 유사 고분자는 현재 가장 활발히 연구되고 있는 주제 중 하나라고 2차원 탄소 결정학 분야의 선구자인 독일의 안드레 게임(Andre Geim)은 말한다.


한편, 엠파 연구진은 정의된 구멍을 갖는 그라핀 유사 고분자의 합성을 최초로 성공시킬 수 있었다. 이러한 연구 결과에 도달하기 위해 그들은 작용기를 갖는 페닐 고리의 화학적 구축 블럭이 은 매질에서 2차원 구조로 자발적 성장이 가능케 하였다. 이러한 방법은 원자 하나 크기의 직경 및 구멍 간 간격이 1 nm 이하인 다공성 그라핀을 형성하게 된다.


최근까지 다공성 그라핀은 리소그래피 공정을 이용하여 구멍이 재료의 층에 순차적으로 에칭되는 과정에서 제조되었다. 하지만, 이러한 구멍은 몇 개의 원자보다 큰 직경을 갖고 있었다. 또한 구멍 간의 간격도 일정치 않았으며, 엠파 연구진이 개발한 방법으로 구현된 것보다도 형태가 정밀하지 못했었다. 하지만, 엠파 연구진은 2차원의 규칙적인 망상조직을 형성하기 위해 분자 구축 블럭이 화학적으로 정의된 연결점에서 자발적으로 결합되도록 하였다. 이를 통해 그들은 다른 방법에서 구현된 것보다 미세한 구멍을 갖는 그라핀 유사 고분자를 합성할 수 있었다.


[원문]

"Porous graphenes: two-dimensional polymer synthesis with atomic precision", Marco Bieri, Matthias Treier, Jinming Cai, Kamel A?t-Mansour, Pascal Ruffieux, Oliver Groning, Pierangelo Groning, Marcel Kastler, Ralph Rieger, Xinliang Feng, Klaus Mullen, and Roman Fasel, Chem. Commun., 2009, 6919-6921.






Scientists synthesize graphene-like material:
Polymer with honeycomb structure
 


Scanning tunneling microscope image of the two-dimensional porous polymer (left side of image) with a model of the material structure superposed (right side: blue-green - carbon; white - hydrogen; gray - silver surface).

Two-dimensional carbon layers, so-called graphenes, are regarded as a possible substitute for silicon in the semiconductor industry. The electronic properties of these layers can be varied by "building in" specific arrays of holes in their structure. Physicists at Empa, Switzerland, together with chemists from the Max Planck Institute for Polymer Research in Mainz, Germany, have, for the first time, succeeded in synthesizing a graphene-like porous polymer with atomic accuracy.



Graphene consists of a two-dimensional carbon layer in which the carbon atoms are arranged on a hexagonal lattice, resembling a honeycomb. Carbon nanotubes are rolled-up sheets of graphene, and thick piles of graphene sheets form graphite.

Graphene boasts some very special characteristics - it is extremely tear-resistant, an excellent thermal conductor, and reconciles such conflicting qualities as brittleness and ductility. In addition, graphene is impermeable to gases, which makes it interesting for applications involving air-tight membranes. Because of its unusual electronic propertiesgraphene is viewed as a possible substitute material for silicon in semiconductor technologies.

By inserting holes of a specific size and distribution into graphene sheets, it should be possible to impart the material particular electronic characteristics. For these reasons intensive research is being conducted worldwide into the synthesis and characterization of two-dimensional graphene-like polymers. Graphene and graphene-like polymers are currently hot research topics in materials science, with this year’s Körber European Science Award being awarded to the Dutch physicist Andre Geim for his pioneering studies in the field of two-dimensional carbon crystals.


New manufacturing method: “bottom-up” synthesis on metal surfaces

Together with colleagues from the Max Planck Institute for Polymer Research in Mainz, scientists from Empa’s "nanotech@surfaces" laboratory have for the first time succeeded in synthesizing a graphene-like polymer with well defined pores. To achieve this feat the researchers allowed chemical building blocks of functionalized phenyl rings to “grow” spontaneously into a two-dimensional structure on a silver substrate. This created a porous form of graphene with pore diameters of a single atom and pore-to-pore spacings of less than a nanometer.

Until now, porous graphenehas been manufactured using lithographic processes during which the holes are subsequently etched into the layer of material. These holes are, however, much larger than just a few atoms in diameter. They are also not as near to each other and significantly less precisely shaped as with the "bottom-up" technique based on molecular self-assembly developed by the Empa and Max Planck group. In this process the molecular building blocks join together spontaneously at chemically defined linking points to form a regular, two-dimensional network. This allows graphene-like polymers to be synthesized with pores which are finer than is possible by any other technique.


More information:

• "Porous graphenes: two-dimensional polymersynthesis with atomic precision", Marco Bieri, Matthias Treier, Jinming Cai, Kamel Aďt-Mansour, Pascal Ruffieux, Oliver Gröning, Pierangelo Gröning, Marcel Kastler, Ralph Rieger, Xinliang Feng, Klaus Müllen, and Roman Fasel, Chem. Commun., 2009, 6919-6921

http://www.rsc.org/Publishing/Journals/CC/article.asp?doi=b915190g

• "Highlights in Chemical Science" by «RSC (Royal Society of Chemistry) Publishing»: http://www.rsc.org/Publishing/ChemScience/Volume/2009/11/Superhoneycomb_networks.asp

• "Research Highlight" in Nature Chemistry: http://www.nature.com/nchem/reshigh/2009/0909/full/nchem.415.html

Provided by EMPA

 

Source : KISTI, physorg.com


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