상온에서 자성 띠는 ‘플라스틱 자석’ 개발
금속 아닌 유기물에서 최초 구현
백종범 에너지 및 화학공학부 교수팀은 TCNQ(tetracyanoquinodimethane)라는 유기화합물에 반응을 일으켜 자성을 띠는 구조로 만드는 데 성공했다고 3일 밝혔다.
이는 순수한 유기화학물이 실온에서 자성을 띠는 플라스틱 자석을 구현한 최초 사례다.
어떤 물질이 자성을 띠는 이유는 내부 전자들이 스핀(spin·회전과 유사한 전자의 양자역학적 상태)이 한 방향으로 정렬되기 때문이다.
다만 금속에서는 홀로 존재하는 자유전자의 스핀들이 모여 상호작용하면서 한쪽으로 정렬되지만, 유기물에서는 전자들이 화학결합으로 단단하게 묶여 스핀 정렬이 어렵다.
2004년 영국 더럼대 연구진도 플라스틱 자석을 만들었다는 논문을 국제학술지에 보고했다가, 당시 만든 물질이 금속으로 오염돼 있는 것으로 추정돼 논문을 철회한 바 있다.
백 교수팀은 155도의 고온에서 TCNQ에 고분자중합반응을 빠르게 일으켜 원자 결합이 깨지도록 해 분자 구조를 뒤틀었다.
이렇게 만들어진 플라스틱(p-TCNQ)에서는 전자스핀들이 서로 영향을 주고받으며, 상온에서 강자성(스스로 자기적 성질을 가지는 것)을 나타냈다.
플라스틱 자석은 녹슬지 않아 영구적으로 쓸 수 있고, 인체에 흡수되지 않아 자기공명영상(MRI) 촬영 때 조영제로 활용하기에 적합하다.
실생활에 사용하려면 자성 세기를 높이는 등 후속연구가 필요하지만, 플라스틱 자석의 가능성을 증명했다는 점에서 이번 연구가 주목받고 있다.
백 교수는 “이번 연구는 유기물 기반 자성 재료의 새로운 방향을 제시할 뿐 아니라, 강력한 플라스틱 자석을 개발하는 데 이바지할 초석을 다지는 의의가 있다”면서 “과학적 호기심과 플라스틱 자석의 잠재적 응용 가능성 때문에 많은 분야에서 주목받을 것”이라고 말했다.
이 연구는 국제학술지 셀(Cell)의 자매지이자 화학 분야 학술지인 켐(CHEM) 2일 자에 공개됐다.
‘플라스틱 자석’ 개발한 연구진. 왼쪽부터 유정우 교수, 신동빈 연구원, 자비드 무하마드 연구교수, 박정민 연구원, 백종범 교수. ⓒ 울산과학기술원
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- 저작권자 2018.08.03 ⓒ ScienceTimes