선형 아세틸렌 탄소

섬네일|탄소 덩어리와 Fe 전극 사이에 있는 선형 탄소 사슬(카바인)의 전자 현미경 사진. 약 36nm 너비의 이미지

선형 아세틸렌 탄소(linear acetylenic carbon, LAC), 카바인(carbyne) 또는 선형 탄소 사슬(Linear Carbon Chain, LCC)로도 알려진 이 물질은 단일 및 삼중 결합이 번갈아 나타나는 반복 단위를 갖는 화학 구조 를 갖는 탄소의 동소체이다. 따라서 이것은 폴리아인 계열의 궁극적인 구성원이 될 것이다.

이 중합체성 카바인은 나노 기술에 상당한 관심을 끌고 있는데, 그 이유는 영률이 로 다이아몬드의 40배에 달하기 때문이다. 그러나 이 놀라운 수치는 구조가 차지하는 공간과 일치하지 않는 단면적의 새로운 정의를 기반으로 한다. 카바인은 또한 성간 공간에서 발견되었지만, 최근에는 응축상에서의 존재가 논란이 되고 있다. 이러한 사슬은 서로 접근하면 발열적으로(그리고 아마도 폭발적으로) 교차 결합할 것이기 때문이다.

역사와 논란
이 동소체의 첫 발견 주장은 1960년에 나왔고 1978년에 반복되었다. 1982년에 여러 이전 보고서의 샘플을 재검토한 결과, 원래 카바인으로 attributed되었던 신호가 사실은 샘플의 규산염 불순물 때문인 것으로 밝혀졌다. 카바인 결정이 없어서 순수한 카바인 조립 고체를 직접 관찰하는 것은 여전히 큰 과제로 남아 있는데, 이는 잘 정의된 구조와 충분한 크기를 가진 카바인 결정이 현재까지는 이용 가능하지 않기 때문이다. 이것은 실제로 카바인이 진정한 탄소 동소체로 일반적으로 받아들여지는 데 주요 장애물이다. 신비로운 카바인은 가능한 비범한 특성으로 과학자들을 여전히 매료시켰다.

지난 35년 동안 카바인의 제조 및 그 구조, 특성, 잠재적 응용에 대한 실험적 및 이론적 연구가 과학 문헌에 점점 더 많이 발표되었다.
1968년, 리스 분화구(독일 바이에른주 뇌르틀링겐)의 흑연질 편마암에서 은백색의 새로운 광물이 발견되었다. 이 물질은 전적으로 탄소로 구성되어 있었으며, 육각형 세포 치수는 러시아 과학자들이 이전에 카바인에 대해 보고한 것과 일치했다. 이 새로운 형태의 천연 탄소인 카오아이트는 고온과 고압의 복합 작용, 아마도 운석 충돌로 인해 흑연에서 생성된 것으로 결론지어졌다. 곧이어 이 "흰색" 탄소는 진공 상태에서 열분해 흑연을 승화시켜 합성되었다.

1984년, 엑손 그룹은 탄소 증발 실험에서 30에서 180 사이의 짝수 탄소 원자를 가진 클러스터를 발견했으며, 이를 폴리아인 탄소에 기인한다고 보고했다. 그러나 이 클러스터들은 나중에 풀러렌으로 확인되었다.

1991년, 카바인은 성형작약탄에 의해 생성된 충격파로 기화되고 급냉된 비정질 카본 블랙 샘플에서 다른 여러 탄소 동소체들 사이에서 발견된 것으로 알려졌다.

1995년에는 탄소 300개 이상의 카바인 사슬의 제조가 보고되었다. 사슬 말단의 알카인이 수소 원자 대신 불활성 그룹(예: 터트-뷰틸 또는 트라이플루오로메틸)으로 캡핑되어 있는 한, 습기와 산소에도 상당히 안정적이라고 주장되었다. 이 연구는 데이터가 풀러렌과 같은 구조보다는 카바인과 같은 구조를 구체적으로 나타낸다고 주장했다. 그러나 H. 크로토에 따르면, 이 연구들에서 사용된 특성과 합성 방법은 풀러렌의 생성과 일치한다.

또 다른 1995년 보고서는 실온에서 알칼리 금속 아말감에 담근 고체 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE, 테플론)이 반응하여 형성된 약 두께의 탄화물 층에서 불확정 길이의 카바인 사슬을 발견했다고 주장했다 (수소 함유 종은 존재하지 않았다). 가정된 반응은 다음과 같았다.
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여기서 M은 리튬, 나트륨, 또는 칼륨이다. 저자들은 사슬 사이에 있는 금속 불화물 나노결정이 중합을 방해했다고 추측했다.

1999년, 아세틸렌화 구리(I)()는 공기 또는 구리(II) 이온에 노출되어 부분적으로 산화된 후 염산으로 분해되면, n=2–6의 사슬의 스펙트럼 신호를 가진 "탄소질" 잔류물을 남긴다고 보고되었다. 제안된 메커니즘은 아세틸렌화물 음이온 의 산화 중합으로 카바인형 음이온 또는 큐물렌형 음이온 을 형성하는 것이다. 또한, 진공 상태에서 아세틸렌화 구리의 열분해는 플라스크 벽에 미세 탄소 분말의 솜털 같은 침전물을 생성했으며, 이는 스펙트럼 데이터를 기반으로 흑연이 아닌 카바인으로 주장되었다. 마지막으로, 암모니아 용액에서 아세틸렌화 구리의 산화 (글레이저 반응)는 잔류 구리(I) 이온으로 캡핑된 "폴리아세틸렌화물" 음이온으로 구성되었다고 주장되는 탄소질 잔류물을 생성한다.
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잔류 구리량에 따라 평균 단위 n은 약 230으로 추정되었다.

2004년에 합성된 선형 탄소 동소체를 분석한 결과, 선형 카바인의 교번 삼중-단일 패턴 대신 sp-혼성 탄소 사슬을 따라 연속적인 이중 결합이 있는 큐물렌 전자 구조를 가지고 있는 것으로 밝혀졌다.

2016년에는 최대 6,000개의 sp-혼성 탄소 원자로 이루어진 선형 사슬의 합성이 보고되었다. 이 사슬들은 이중벽 탄소 나노튜브 내에서 성장했으며, 숙주에 의해 보호되어 매우 안정적이다.

폴리아인
순수한 중성 탄소 물질에서 "카바인" 사슬의 존재 여부는 여전히 논란의 여지가 있지만, 짧은 사슬은 더 큰 분자(폴리아인)의 하부 구조로 잘 확립되어 있다. 2010년 현재, 안정적인 분자에서 가장 긴 사슬은 부피가 큰 말단 그룹으로 안정화된 22개의 아세틸렌 단위를(총 44개의 원자) 가지고 있었다.

구조
이 형태의 탄소 원자는 각각 sp 혼성 궤도를 가진 선형 기하학적 구조를 갖는다. 결합 길이는 (삼중)과 (단일)로 추정된다.

탄소 원자 사슬에 대한 다른 가능한 구성으로는 이중 결합만 있는 폴리큐물렌(폴리에틸렌-다이일리덴) 사슬()이 있다. 이 사슬은 파이얼스 전이 갭이 로 약간 더 높은 에너지를 가질 것으로 예상된다. 그러나 짧은 분자의 경우 폴리큐물렌 구조가 선호되는 것으로 보인다. n이 짝수일 때, 에너지적으로 매우 가까운 두 개의 기저 상태 구성이 공존할 수 있다: 하나는 선형이고 다른 하나는 순환(능형)이다.

카바인 사슬의 유연성 한계는 8개의 아세틸렌 단위를 주사슬로 하는 합성 폴리아인으로 설명되는데, 이 사슬은 고체 상태에서 인접 분자의 부피가 큰 말단 그룹을 수용하기 위해 이상(각 탄소에서 약 )으로 구부러져 있는 것으로 밝혀졌다.

대칭성이 높은 카바인 사슬은 각 단일-이중쌍의 결합 신축으로 인해 Σg 대칭성을 갖는 단일 라만 활성 모드만 가질 것으로 예상되며, 그 빈도는 일반적으로 1800에서 사이이며, 주변 환경에 영향을 받는다.

특성
카바인 사슬은 밀도당 알려진 가장 강한 물질이라고 주장되었다. 계산에 따르면 카바인의 비인장 강도(강도를 밀도로 나눈 값)는 로 그래핀(), 탄소 나노튜브(), 다이아몬드()를 능가한다. 영률을 밀도로 나눈 값인 비모듈러스는 약 로, 그래핀의 약 보다 두 배 높다.

카바인을 10% 늘리면 전자 밴드갭이 로 변한다. 사슬 끝에 분자 손잡이를 장착하면 밴드갭을 조절하기 위해 비틀 수도 있다. 끝에서 끝까지 를 비틀면 카바인은 자기 반도체로 변한다.

2017년, 이중벽 탄소 나노튜브 내부에 갇힌 36개에서 6000개 탄소 원자로 구성된 선형 탄소 사슬(LCC)의 밴드갭이 처음으로 결정되었는데, 라만 주파수와 선형 관계를 따르며 의 범위에 있었다. 이 하한선은 현재까지 관찰된 선형 탄소 사슬의 가장 작은 밴드갭이다. 2020년, 선형 탄소 사슬(LCC)의 강도(영률)는 실험적으로 약 로 계산되었는데, 이는 그래핀 및 탄소 나노튜브와 같은 다른 탄소 재료보다 훨씬 높다. 기상 또는 용액 상태의 짧은 사슬에 대해 얻은 실험 데이터와의 비교는 DWCNT 캡슐화의 효과를 보여주며, 이는 밴드갭의 본질적인 하향 이동으로 이어진다.

이중벽 탄소 나노튜브 내부의 LCC는 (8,3) 카이랄성을 가진 튜브의 내부 튜브의 광발광(PL) 신호를 최대 6배까지 증가시킨다. 이러한 행동은 내부 튜브에서 탄소 사슬로의 국부적인 전하 이동 때문일 수 있으며, 외부 튜브에 의해 유도되는 퀜칭 메커니즘의 균형을 맞춘다.

카바인 사슬은 에너지 및 수소 저장에 적합할 수 있는 측면 분자를 취할 수 있다.

원자당 10−22 cm2 sr−1의 차동 라만 산란 단면적을 가진 탄소 나노튜브 내부에 갇힌 카바인 사슬은 이제까지 보고된 가장 강한 라만 산란체이며, 다른 알려진 어떤 물질보다 두 자릿수나 높다.

 각주 

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분류:알카인
분류:나노기술
분류:탄소 동소체