풀러렌

풀러렌 결정.

풀러렌 용액. 무극성이므로 톨루엔이나 이황화탄소 등에 녹인다.

Fullerene

1 개요

축구공
다이아몬드나 흑연과 같은 탄소 동소체. 화학식은 보통 C₆₀이며, 다른 탄소 동소체와는 달리 분자성 물질이다. 풀러렌의 가장 일반적인 형태인 C₆₀은 특히 '버크민스터풀러렌(buckminsterfullerene)'이라고 부르는데, 오각형 12개와 육각형 20개로 이루어진 축구공 모양(깎은 정이십면체)을 띄고 있다. 이는 풀러렌과 비슷하게 생긴 지오데식 돔을 지은 미국의 건축가 버크민스터 풀러(Buckminster Fuller)의 이름에서 유래했다.

풀러렌 중에서는 축구공 모양의 버크민스터풀러렌이 가장 흔하고 안정하지만, 이 외에도 다양한 풀러렌이 존재한다. 어떤 풀러렌이든 오각형 12개를 가지고 있어야 안정한 구 형태를 이룰 수 있기 때문에 가장 작은 풀러렌은 C₂₀이 되며, 그 이후 육각형을 하나씩 추가하는 식으로 C₂₂를 제외한 짝수개 탄소 풀러렌을 만들 수 있다. C₆₀ 다음으로 안정한 풀러렌은 C₇₀이며, 그 외에도 C₇₂, C₇₆, C₈₄ 등이 흔하게 발견된다. 같은 C₆₀도 오각형이 어떻게 배치되어 있느냐에 따라 다양한 구조 이성질체가 존재한다.

진공 장치 속에서 강력한 레이저를 흑연에 쬐면 탄소들이 흑연 표면에서 떨어져 나와 풀러렌이 만들어진다. 탄소 원자 60개로 만들어진 풀러렌 분자는 스몰리와 크로토에 의해 처음 만들어졌고, 호프만이 대량 생산했다. -- 이때 스몰리와 크로토는 이 공로를 인정받아 1996년 노벨화학상을 받았다.

이 때 탄소는 오각형과 육각형의 각 꼭짓점에 배치되어있는데, 이들은 상당히 안정된 구조를 가지고 있기 때문에 높은 열과 압력을 견딜 수 있고, 반응성이 작고, 빛과 전기를 잘 흡수하는 전기적, 광학적 성질이 독특하여 꽤 흥미롭다. 또 가격도 비교적 싼 편이라고.

2 응용

• 풀러렌은 속이 빈 분자성 물질로서, 그 속에 물질을 집어넣을 수 있는데, 잘 알려진 것으로는 란타넘(La)을 넣는 것 등이 있다. 분자 수술이라는 방식으로 물 분자를 투입할 수도 있다 (H₂O@C₆₀). 또한 풀러렌 안에 풀러렌을 추가하기도 하였다 (C₆₀@C₂₄₀). 하지만 대량생산이 어렵고 분리는 훨씬 더 어렵기 때문에 아직까지는 유용성이 불분명하다.
• 알칼리 금속을 도입한 금속 풀러렌이 종래의 유기물 초전도체보다 높은 온도에서 초전도성을 나타내서 주목을 받고 있다. 그리고 풀러렌을 반으로 자르면 그 단면이 탄소 나노튜브의 단면과 비슷하고, 성질도 꽤 비슷하게 나와 많은 사람들의 이목을 끌고 있다고 한다.
• KAIST 무기화학 실험실에서는 풀러렌 분자 하나에 카르보닐기가 달린 금속 뭉치를 접합하는 데에 성공했으며, 접합된 두 물질 사이에서 전자가 이동할 수 있다는 사실이 확인되었다.
• 모양이 구형으로 세상에서 가장 작은 베어링으로의 가치도 인정받았다.
• 풀러렌에서 탄소 하나를 질소 등으로 교체하여 새로운 물질을 만들어 연구 중이기도 하다. 예를 들어 위와 같이 탄소 하나를 질소 하나로 바꾸면 총 전자가 1개 더 늘어나는 꼴이 되므로 화학적 성질이 변화해 여러 가지 응용법이 만들어질 수 있다.
• 현재로서는 트랜지스터 광전소자, 고분자 다이아몬드 박막 제조, 신약 개발 등의 분야에 응용되고 있다.
• 반도체로서의 성질을 지니며 전자를 잘 받아먹는 특징을 가지고 있다. 이를 이용해서 태양 전지 연구에 활용되고 있다.
• 풀러렌이 빛을 흡수하면 상당히 높은 효율로 삼중 상태(triplet state)가 되는데, 주변에 산소가 있으면 에너지를 넘겨줘서 활성 산소를 만드는 성질이 있다. 이를 이용해 암세포가 풀러렌을 흡수하게 한 뒤 빛을 쬐어 활성 산소를 다량으로 만들어서 암세포를 박살내는 방식의 연구가 이뤄지고 있다.
• 많은 축구공이 풀러렌 모양으로 만들어진다.

사실 1985년에 처음 만들어져 연구가 시작되었기 때문에 아직 발견된 것보다 그렇지 않은 것이 더 많을 것이다. 엄밀히 말하면, 순수하게 분리해서 연구를 시작한 것이 1985년인 것이고 물질 자체는 인류가 불을 사용하기 시작할 때부터 본의 아니게 풀러렌을 만들어오고 있었다. 그러니까, 타다 만 나무조각 혹은 숯에 풀러렌이 자연적으로 미량 포함되어있다. 즉, 인류가 1985년에 이르러서야 현대의 과학기술로 합성하고 분리해 낸 물질이, 알고 보니 원시 시대부터 우리 곁에 항상 있었다는 것이다.

어떤 과학 단지에서는 제논(Xe)를 파는데 이때 포장지로 C60을 사용한다.