그래핀과 MoS2와 같은 2차원 물질이 다른 물질과 결합하기 힘든 이유

여러분들 결합 각도라고 들어보셨나요?? 109.5도 120도 180도 라는 숫자는요??

 

오늘 제가 다뤄볼 주제는 그래핀과 MoS2와 같은 2d material 들에 다른 물질들을 결합시키기 힘든 이유입니다.

결합시키다라... 말이 좀 어려운데, 쉽게 한번 말해볼게요.

 

그래핀이나 MoS2는 위에 다른 물질들을 증착하기 힘듭니다. 왜냐면 서로 안달라붙거든요. 결합은 서로 손을 잡게 만드는 느낌인데 얘네는 옆에 있기만 하는 느낌 즉, 거의 얹혀놓는 느낌이에요.

왜그럴까요?? 인터넷에서 나와있는 이유가 하나 있습니다.

 

 

 

 

그래핀과 MoS2는 너무너무 안정한 구조라서 다른 물질들과 결합할 이유가 없다.

모든 물질은 안정한 상태를 유지하려고 하잖아요. 사람도 감정기복심하고 슬펐다 즐거웠다 감정이 매번 바뀌면 뒤질라카죠? 마찬가지로 원자와 분자도 안정된 상태를 유지하려고 합니다.

 

그리고 그 안정한 상태는 다른 물질과 결합했을 때, 사람으로 치자면 다른 사람들과 교류가 있을 때 이뤄집니다. 그러나 어떤 사람들은 혼자 있을 때가 제일 행복하다고 하죠. 2차원 물질은 이와 같은 친구입니다.

 

그렇다면 어떤 구조이길래 안정한가 한번 볼까요?

 

 

흔히 알기로 그래핀과 같은 2차원 물질은 벌집구조를 띄고 있습니다. 그림만봐도 되게 벌집같죠?

기본 결합은 3개에요. 파랑색으로 동그라미 친 부분 있죠? 그 동그라미에는 주위에 팔이 3개가 있습니다. 결합이 3개라는 뜻이죠.

 

옥텟룰에 따르면 전자가 8개일 때 안정하다고 합니다. 전자 2개가 팔 하나(결합 한개)를 이루니까 팔이 3개면 결합에 참여한 전자가 총 6개네요. 거기에 결합에 참여하지 않은 전자가 1개 또 있습니다.

 

살짝 유식한 말로 sp2 orbital과 pz orbital로 이루어져있다 라고 말해요. (결합에 참여하지 않은 전자가 자유롭게 움직여서 그래핀은 전기가 상당히 잘 통합니다.)

 

이들의 결합 각도는 120도로 상당히 안정한 상태입니다.(매우 중요!)

결합에 참여하지 않은 전자가 있으면 다른 물질과 결합하기 쉬운거 아니야?

저도 처음에는 이렇게 생각해봤거든요.

 

그래서 다른 물질과 결합하는 상상을 해봤습니다. 하지만 어림도 없지 ㅋ

남는 전자 뿐만 아니라 그래핀의 구조, 즉 결합각도도 고려해야돼요.

 

 

 

 

결합각도는 전자들끼리의 반발력과 인력을 모두 고려해서 결정됩니다. 쉽게 말해서 팔들 있죠? 팔끼리 서로 붙어있으면 좀 그르니까, 적당히 거리를 둔다고 생각하시면 됩니다. 친구랑 다닥다닥 팔이 붙어있으면 얼마나 불편해요... 아무리 친하더라도...덥잖아~

 

팔이 4개인 물질은 대표적으로 CH4가 있는데요. 팔이 4개면 109.5도 부근일 때 가장 안정합니다.

 

다시 그래핀을 봐볼게요. 그래핀을 보시면 팔이 3개이고 서로 120도의 결합각도를 이루고 있습니다.

여기에 새로운 물질과 결합을 한다고 쳐요. 빨강색 선이죠.

 

어떤 물질과 결합을 하면 팔이 4개가 되죠? 그래핀에서는 탄소 1개가 주위 3개의 탄소와 결합했지만, 어떤 물질과 추가로 결합하게되면 결합 1개가 추가돼서(빨강선), 탄소 1개가 주위 4개의 원자와 결합한 상태가 됩니다.

 

팔이 4개면 결합각도가 몇 도여야 안정하다?? 109.5도 부근입니다. 물질마다 다르지만 일단 120도 보다는 작아요.

 

근데 그래핀은 결합각도가 몇도다?? 120도다! 다른 물질과 결합을 하려면 이 안정한 120도의 결합각도를 부숴야돼요.

근데 결합각도 120도가 부숴지면 그게 그래핀인가????

 

 

 

아마 억지로 결합하면 그래핀이 1자 형태가 아닌 곡궁형태로 휘기 시작할거예요. 왜냐면 120도의 결합각도로는 안정된 상태를 유지할 수 없으니깐요. 팔이 3개일 때나 120도가 안정했지, 팔이 4개가 되면 109.5도 부근이 안정한 상태거든! 뭔가 베베 꼬이겠죠?? 마치 블랙홀에 빨려들어가 시공간이 붕괴된 상태처럼요.

 

 

 

 

위 그림의 별들처럼 원래 별 모양을 유지하지 못하고 구조가 꼬이기 시작할겁니다.

결합이 하나 추가되면 안정한 구조를 유지하려고 결합각도 120도를 깼는데, 오히려 알 수 없게 베베꼬여서 더 불안정한 상태가 돼요! 이럴바에 결합을 왜해!

 

우리가 결합하는 이유는 안정한 상태를 유지하려고인데...

 

차라리 아무랑도 결합안하고, 120도의 안정한 구조를 유지하는게 그래핀입장에서 더 이득이죠.

MoS2도 그래핀과 비슷한 구조이기때문에, 다른 물질과 쉽사리 결합하지 않습니다.

 

이러한 이유 때문에 그래핀이 다른 물질과 결합하는 것에 어려움이 있어요.

하지만 2d material들을 실용적으로 써먹으려면 다른 물질과 결합할 필요가 있답니다.

 

이를 위해 많은 연구들이 진행되고 있어요. 구조를 거의 깨지 않으면서 다른 물질과 결합하는 연구들이요.

오늘 포스팅은 여기까지구요. 궁금한 점이 있으시면 댓글 달아주세요~

 

솔직히 완벽한 포스팅 개념이라고 생각은 안해서, 피드백 달아주시면 감사하겠습니다.