풀러렌

풀러렌은 1985년 라이스 대학교의 해럴드 크로토, 리처드 스몰리, 로버트 컬 등이 헬륨 기체 환경에서 흑연 막대에 레이저를 쏘아 증발시키는 실험 도중 발견하였다. 이들은 탄소 원자 60개로 구성된 안정한 분자를 확인하고, 이를 건축가 버크민스터 풀러의 지오데식 돔 구조와 닮았다는 점에서 '버크민스터풀러렌'이라 명명하였다. 이후 1990년 W. 크래치머 등이 아크 방전법을 통한 대량 합성법을 개발하면서 관련 연구가 본격화되었다.

가장 대표적인 $C_{60}$은 12개의 오각형과 20개의 육각형으로 이루어진 깎은 정이십면체 구조를 가진다. 오일러의 다면체 정리에 따르면, 오각형으로 만들어진 다면체는 크기에 상관없이 반드시 12개의 오각형을 포함해야 한다. 풀러렌 내부에는 지름 약 0.4nm의 빈 공간이 존재하며, 전체 분자의 지름은 약 1nm 수준이다. 각 탄소 원자는 다른 탄소 원자들과 단일 결합 및 이중 결합으로 연결되어 구형의 망을 형성한다.

풀러렌은 매우 높은 온도와 압력에서도 견딜 수 있을 만큼 결합이 강하고 화학적으로 안정적이다. 흑연이나 다이아몬드와 달리 벤젠, 톨루엔과 같은 유기 용매에 녹는 성질이 있다. 또한 전자를 받아들이는 능력이 뛰어나 우수한 전자 수용체로 작용하며, 특정 조건에서는 초전도성이나 반도체 특성을 나타내기도 한다. 내부의 빈 공간에는 금속 원자를 가두어 '금속 내포 풀러렌'을 형성할 수 있는 독특한 특성을 지닌다.

주요 합성법은 아크 방전법이다. 약 50~600토르(Torr) 압력의 헬륨 기체 내에서 두 개의 흑연 전극 사이에 아크 방전을 일으키면 탄소가 증발하며 그을음이 생성된다. 이 그을음을 유기 용매로 추출하고 크로마토그래피 기법을 통해 분리하면 $C_{60}$과 $C_{70}$ 등의 풀러렌을 얻을 수 있다. 금속 내포 풀러렌을 제조할 때는 금속 원자가 혼합된 흑연 전극을 사용한다.

탄소 원자의 개수에 따라 다양한 종류가 존재한다.

• $C_{60}$: 가장 흔하고 안정한 축구공 모양의 풀러렌이다.
• $C_{70}$: 럭비공과 유사한 타원체 모양을 가진다.
• 고차 풀러렌: $C_{76}$, $C_{78}$, $C_{82}$, $C_{90}$ 등 탄소 수가 더 많은 구조로, 소량 생성된다.
• 풀러렌 폴리머: 풀러렌 분자들이 서로 연결된 고분자 형태로, 가열 시 다시 단일 분자로 돌아가는 가역성을 보이기도 한다.

풀러렌의 독특한 전기적, 구조적 특성은 여러 첨단 산업에 활용된다.

1. 에너지: 유기 태양전지의 전자 수용체로 사용되어 효율을 높이며, 리튬 이온 배터리의 전극 재료로 연구된다.
2. 신소재: 수지에 첨가하여 내열성과 내구성을 강화하거나, 정전기 제거 및 잡음 필터 소재로 응용된다.
3. 의료 및 나노기술: 약물 전달체나 센서, 마이크로 로봇의 부품 소재로 가능성이 검토되고 있다.
4. 윤활제: 구형 구조를 이용한 나노 크기의 베어링이나 윤활제 역할로도 주목받는다.