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2004 년에 그래핀 (graphene)이 분리된 후, 많은 연구팀이 새로운 2 차원 재료를 합성하기 시작했다. 2D 재료는 1 원자와 수 나노 미터 (십억 분의 1 미터) 사이의 두께를 갖는 단일층 물질이다. 이런 물질은 작은 크기로 인해 얻어진 우수한 특성으로 인해 나노 기술 및 나노 공학의 발전에 핵심적인 역할을 수행하고 있다. 연구팀은 브라질을 포함한 세계의 많은 지역에서 채굴되는 것과 같은 일반 철광석에서 헤마틴 (hematene)이라고 부르는 2D 물질을 추출했다. 이 물질은 단지 3 개의 원자 두께이며 향상된 광촉매 특성을 가진 것으로 기대된다. 이 결과는 네이처 나노테크놀로지 (Nature Nanotechnology, 'Exfoliation of a non-van der Waals material from iron ore hematite')에 발표된 기사에 최근 보고되었다. 연구팀이 합성한 물질은 물을 수소와 산소로 분리하는 광촉매 작용을 할 수 있으므로 다른 잠재적인 응용 분야를 비롯하여 수소와 같은 전기를 생성할 수 있다고 밝혔다. 새로운 물질은 지구상에서 가장 흔한 광물 중 하나인 적철광과 여러 제품에서 사용되는 가장 저렴한 금속인 철분의 주요 공급원인 철광석으로부터 박리되었다. 탄소와 그 2D 형태의 그래핀과는 달리, 적철광은 비 반 데르 발스 (non-van der Waals) 물질이다. 이는 비공유(noncovalent) 결합으로 비화학적이고 상대적으로 약한 원자 반 데르 발스 상호 작용보다는 3D 결합 네트워크에 의해 결합되어 있음을 의미한다. 반 데르 발스 물질은 결합에 참여하는 원자에 의한 하나 이상의 전자 쌍의 결합 공유를 포함하지 않는다. 이 물질은 자연 발생 미네랄이며, 고도로 배향된 큰 결정을 가지고 있으며 반 데르 발스 물질이 아니기 때문에 연구팀은 적철광이 새로운 2D 물질의 박리를 위한 우수한 프리커서 (precursor) 물질이라고 믿고 있다. 지금까지 합성된 대부분의 2D 물질은 반 데르 발스 고체의 샘플에서 파생되었으며, 고도로 정렬된 원자층과 큰 입자를 가진 비 반 데르 발스 2D 물질은 찾아보기 힘들다. 헤마틴은 유기 용매인 N,N-디메틸포름아미드 (DMF)에서 적철광의 액상 박리에 의해 합성되었다. 투과 전자 현미경으로 단 3 개의 철 및 산소 원자 (단일 층)의 두께와 무작위로 적층된 시트 (이중층)의 단일 시트에서의 헤마틴의 박리 및 형성이 확인되었다. 헤마틴의 자기적 특성을 연구하기 위해 시험과 수학적 계산이 수행되었다. 그 결과, 적철광의 자기적 특성과 달랐다. 자연적인 헤마타이트는 반 강자성이지만, 헤마틴은 일반적인 자석처럼 강자성이다. 강자성체에서는 쌍극자들이 평행하고 동일한 방향으로 정렬된다. 반 강자성체에서 쌍극자는 반 평행하고 반대 방향으로 정렬된다. 강자성체에서 원자의 자기 운동량은 같은 방향을 가리키고 반 강자성체에서는 인접한 원자의 운동량이 번갈아 나타난다. 또한 연구팀은 빛에 의해 에너지가 공급될 때 화학 반응의 속도를 증가시키는 헤마틴의 광촉매 특성을 분석했다. 그 결과, 헤마틴에 의한 광촉매 반응은 광촉매 성질은 잘 알려져 있지만 유용하지는 못한 헤마타이트에 의한 광촉매 반응보다 더 효율적이다. 효율적인 광촉매 물질은 햇빛의 가시 부분을 흡수하고, 전기 전하를 생성하고, 원하는 반응을 수행하기 위해 물질의 표면으로 이동시켜야 한다. 적철광은 자외선에서 황색-오렌지 지역까지 햇빛을 흡수하지만 생성되는 전하의 수명이 매우 짧다. 결과적으로 표면에 도달하기 전에 사라진다. 헤마틴 광촉매는 광자가 표면의 몇 원자 안에서 음전하 및 양전하를 생성하기 때문에 보다 효율적이다. 이 물질을 이산화 티타늄 나노 튜브 어레이와 결합시킴으로써 전자가 헤마틴을 빠져 나가기 위한 쉬운 경로를 제공하여 더 많은 가시 광선을 흡수할 수 있음을 발견했다. 헤마틴은 효율적인 광촉매, 특히 물을 수소와 산소로 분리하는데 유용할 수 있으며, 또한 스핀트로닉 기반 장치의 초박 극자성 물질로 사용될 수 있다. 스핀트로닉스 (또는 magnetoelectronics)는 자기 운동량과 직접적으로 결합된 전자의 스핀 변화를 기반으로 정보를 저장, 표시 및 처리하는데 사용되는 새로운 기술이다. 연구팀은 새로운 2D 재료를 생산할 수 있는 많은 다른 산화철 및 그 파생물과 같은 특이한 특성을 지닌 다른 2D 재료를 만들 가능성으로 인해 다른 비 반 데르 발스 재료를 조사하고 있다. |
