강의 8 Carbon nanomaterials

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강의 8 Carbon nanomaterials

탄소는 4개의 결합 가능한 전자를 갖고 있으며, 그 중 2개는 2s전자이고 2개는 2p전자이다. 이 들 4개의 전자가 hybridize하여 4개의 sp3 궤도함수 (orbital)를 형성하거나 3개의 sp2 궤도함수를 형성할 수 있다. 4개의 sp3 궤도함수를 형성할 때는 0개의 p orbital이 결합에 참여하고, 3개의 sp2 궤도함수를 형성할 경우에는 1개의 남아있는 p전자가  결합에 참여한다

탄소재료의 종류; sp3 공유결합 ex) Diamond

sp2 공유결합 ex) 그래핀, 흑연,

탄소나노튜브, Fullerene

Remaining 2 p orbital with free delocalized electron

Doughnut shaped  orbital overlapped to become delocalized

Remaining p orbitals

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특징 : 1개의 탄소원자가 4개의 탄소원자와 모두 공유결합 형성 전기 전도도 없음, 지구상에서 가장 단단함

열전도율 : 구리와 견줄만큼 좋음

열팽창계수 : 100~900^oc에서 10^-6으로 불변정도의 강함

기타; 어떤 산에도 침식 않음, 비활성 기체 : 1700^oC까지 안정, 산화 조건 : 1000^oC전후까지 안

Sp2 공유결합

sp3 공유결합; Diamond

그래핀 (Graphene); C원자들간의 sp2 공유결합으로 이루어진 2차 원 평면구조

나노튜브 (Nanotubes); 그래핀이 말아진 튜브형태의 1차원 구조 흑연(Graphite) ; 그래핀이 적층된 3차원 구조, 평면 안에는 C원 자들간의 sp2 공유결합, 평면간에는 Vader Waals 결합

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흑연(Graphite) ; 그래핀이 적층된 3차원 구조, 평면 안에는 C 원자들간의 sp2 공유결합, 평면간에는 Vader Waals 결합

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나노튜브 (Nanotubes); 그래핀이 말아진 튜브형태의 1차원 구조

1 개의 원자와 3 개의 다른 탄소 원자가 결합- 육각형 벌집 구조로서 원통처럼 가늘과 긴 관을 형성한 물질

특징 : 가볍고, 전기전도도 구리 만큼 좋음, 열전도 다이아몬드 만큼 우수, 인장력 철강에 못지 않음

결합구조 : zig-zag(9,0)- 반도체 활용 (Y 축) armchair(5,5) – 도체로 활용

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TEM Picture of Typical Multiwall Carbon Nanotubes

(MWNT) produced via the chemical vapor deposition(CVD)

Purified by mild acid to remove the catalyst(support and metal particles)

Diameter(D) : 4-6nm

High aspect ratio compared to other commercial MWNT (D=10~20nm)