탄소나노튜브로 만들어진 세계에서 가장 작은 모터

 

일본 오사카 대학(Osaka University) 연구진은 탄소나노튜브로 세계에서 가장 작은 

모터를 만들었다. 이전에 발표된 나노모터들은 자연의 촉매 생체모터를 모방한 반

면 이번 연구진은 탄소나노튜브가 가지고 있는 기계적인 힘에 의한 접근을 시도하였

다. 

 

그동안 탄소나노튜브 모터 시스템에 대한 실험적 연구들이 보고된 적이 있지만 이

번 연구진이 만든 모터보다 더 작은 것은 소개된 적이 없었다. 연구진은 주(host) 탄

소나노튜브의 공동(hollow) 공간에 다른 탄소나노튜브를 캡슐화 했을 때 캡슐화된 

탄소나노튜브가 상온에서 선형 운동과 회전 운동을 한다는 사실을 관찰했다. 이것

은 탄소나노튜브 캡슐의 선형 운동을 관찰한 첫 번째 연구결과이다. 이러한 시스템

은 C60 peapod을 간단하게 가열함으로서 얻을 수 있고 이것의 크기는 생체기능 분

야의 잘 알려진 단백질 기반의 분자 모터와 유사하거나 훨씬 작다. 

 

이번 연구진이 만든 탄소나노튜브 모터는 3 가지 중요한 측면을 가지고 있다. 

 

1) 이것은 세계에서 가장 작은 모터이다 

2) 이 탄소나노튜브 모터는 열에너지로 구동된다. 

3) 상온에서 주파수로 조작될 수 있다. 

 

탄소나노튜브 모터는 지름이 단지 몇 나노미터인 캡슐 모양의 짧은 다중벽 탄소나노

튜브로 구성되었다. 이번 연구진은 Nano Letters에 “A Molecular Linear Motor 

Consisting of Carbon Nanotubes” 이라는 제목으로 연구결과를 게재했고 여기에

서 주 탄소나노튜브의 공동 공간에서 분자 회전 모터 뿐 아나라 분자 선형 모터로서

도 작동될 수 있다는 실험적 증거를 제시했다. 

 

투과전자현미경(transmission electron microscope, TEM)을 사용해서 단일벽 탄

소나노튜브의 내부 공동 공간에 캡슐화된 탄소나노튜브 캡슐은 지름이 0.95 nm 이

하이고 길이가 3.2 nm 이하라는 사실을 관찰할 수 있었다. 

 

연구진이 관찰한 결과 나노튜브 캡슐이 몇 초 후에 한 쪽 면으로 빠르게 움직였다가 

수 초 후에 다시 다른 쪽 면으로 돌아온다는 사실을 발견했다. 약 170 초 동안 관찰

한 결과 캡슐은 7번 왕복했다. 

 

탄소나노튜브 캡슐의 선형 모터 같은 운동은 두 가지 특징이 있다고 연구진은 말했

다. 한 개는 초 단위의 시간 간격이다. 연구진은 탄소나노튜브 캡슐이 주로 1-5 초 동

안 두 개의 끝에 잠시 멈춘다는 것을 관찰했고 때때로 40-50 초 동안 머무른다는 사

실을 알게 되었다. 다른 것은 탄소나노튜브 캡슐이 매우 빠르게 운동한다는 것이다. 

그래서 연구진은 운동 모멘트를 포착하기가 어려웠다. 한 쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지

의 움직이는 시간은 0.5초 프레임 비율(frame rate) 이하이다. 

 

연구진은 다음의 두 가지 의문점이 생겼다. 

 

1) 탄소나노튜브 캡슐은 왜 끝에서 정지하는가? 

2) 운동을 시키는 구동력은 무엇인가? 

 

이런 의문점에 대해서 연구진은 탄소나노튜브 캡슐이 끝에서 정지하는 이유로 반데

르발스 상호작용을 원인으로 꼽았다. 그리고 이런 선형 운동을 구동하는 힘으로 열

에너지를 제안했다. 

 

이번 연구에서 가장 흥미로운 결과 중 하나는 이 시스템이 상온 근처에서 작동한다

는 사실이다. 상온에서 1초 이하 동안 얻어진 열에너지로 공동 공간 끝의 탄소나노튜

브 캡슐을 에너지 밸리(energy valley)로부터 탈출시킬 수 있다는 사실을 알게 되었

다. 이 두 개의 에너지 사이의 평형을 조절함으로서 선형 모터의 효율적인 조절이 가

능하게 될 것이다. 예를 들어, 대기 온도보다 조금 더 높은 온도에서 탄소나노튜브

를 활성화되는 캡슐을 찾을 수 있다면 가열, 빛, 전자빔과 같은 에너지 공급을 해주

거나 차단함으로서 운동을 on/off 할 수 있을 것이다. 

 

이번 탄소나노튜브 모터는 전자기파를 발생하는 주파수 변조 모터, 스위칭 장치 그

리고 메모리 장치 등에 적용될 수 있을 것이라고 연구진은 믿고 있다. 

 

연구진은 현재 모터의 조절가능성에 대해서 연구를 하고 있다. 여기에는 운동 사이

의 상관관계를 상세하게 조사하는 것이 포함되었고 선형 운동 뿐 아니라 회전 운동

을 할 수 있는 모터를 개발하기 위해서 각각의 탄소나노튜브의 결함과 키랄성 원자 

구조를 가진 탄소나노튜브에 대해서 조사하고 있다. 

 

 

그림. 탄소나노튜브 캡슐의 TEM 사진.

 

http://www.nanowerk.com/

출처 : KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-02-18