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두께 원자 1개분으로 탄소만으로 구성된 시트상 물질 '그래핀'은 소재 강도가 매우 높고 열전도와 전기전도가 매우 높기 때문에 미래의 신소재로서 기대되고 있습니다. 린쇼핀대학의 연구팀이 이 그래핀과 마찬가지로 원자 1개분의 두께인 금 시트 'Goldene'을 생성하여 분리하는 데 성공했다고 보고했습니다.

A single atom layer of gold – LiU researchers create goldene - Linköping University
https://liu.se/en/news-item/ett-atomlager-guld-liu-forskare-skapar-gulden

Meet ‘goldene’: this gilded cousin of graphene is also one atom thick
https://www.nature.com/articles/d41586-024-01118-0

그래핀과 유사한 2차원 소재는 지금까지 많은 과학자들에 의해 추구되어 왔지만 금속원자는 항상 클러스터화되어 나노입자가 되는 경향이 있었기 때문에 금속원자의 2차원 재료를 생성하는 것은 매우 어려웠다고 합니다.

2015년에 발표된 연구에서는 주석 원자의 2차원 재료, 2019년의 연구에서는 납 원자의 2차원 재료가 보고되었습니다. 이번 린쇼핀대학의 연구팀이 발표한 것은 '최초이자 단독으로 자립하는 금 원자의 2차원 재료'로, 연구팀은 이를 그래핀(Graphene)을 참고하여 'Goldene'이라고 명명했습니다.

Goldene을 생산하기 위해 린쇼핀대학은 티타늄 탄화물 사이에 실리콘 원자 단층을 끼워 넣은 재료를 생산했습니다. 이 적층구조 위에 금을 첨가하면 금 원자가 구조로 확산되어 실리콘이 치환되고 금 원자 단층이 구성됩니다.

그런 다음 티타늄 탄화물만을 제거하여 Goldene 단품을 꺼냅니다. 이 티타늄 탄화물을 제거하는 기술에는 '무라카미 시약'이라는 일본의 단조기술이 응용되었다고 합니다. 이 무라카미 시약은 탄화물을 에칭하여 제거하고 강철의 색을 바꾸기 위해 사용되는 데, 린쇼핀대학의 연구원인 카시와야 슌 조교는 무라카미 시약의 농도나 시간을 조금씩 바꾸면서 실험을 계속했다고 합니다. 또한 티타늄 탄화물을 제거한 후에 노출된 Goldene이 둥글게 되어 금 나노입자가 되어 버리지 않도록 계면활성제를 사용하여 구조를 안정시켰다고 합니다.

카시와야 조교는 “시트상 물질인 Goldene은 용액 속에 있어서 우유에 들어간 콘플레이크와 조금 비슷합니다. 일종의 필터를 이용하여 금을 모아 전자현미경으로 검사하여 성공 여부를 확인합니다.”라고 설명했습니다.

금 나노입자가 전자공학, 촉매, 포토닉스,, 센싱, 바이오의료 등의 분야에서 유망시되고 있기 때문에 연구팀은 Goldene도 마찬가지로 유용할 것으로 전망했습니다.

예를 들어 금 나노입자에는 빛을 흡수하면 전자가 고에너지 상태로 전이한다는 광학특성이 있으며, 이 성질을 이용하여 물을 분해하여 수소를 생성하는 광촉매 등이 연구 개발되고 있습니다. 또한 Goldene을 대량생산할 수 있게 되면 다양한 곳에서 사용되고 있는 금의 양이 대폭 삭감될 가능성도 있습니다.

연구팀은 이번에 생성한 Goldene이 새로운 가능성을 개척할지도 모르지만 그 특성에는 규명되지 않은 부분도 많아 향후 더 많은 연구가 필요하다고 보았습니다. 또 백금이나 은 등 다른 귀금속에서도 Goldene과 같은 생성방법으로 2차원 재료를 만들 수 있는지를 조사할 예정이라고 합니다.