탄소나노튜브가 강철보다 가벼우면서도 강한이유가 무엇인가요

Question

안녕하세요

탄소나노 튜브는 강철보다 수십배나 강하지만 오히려 무게는 더 가볍다고 하는데요 왜 가벼운데 더 강한 성질을 가지고 있나요?

Answer 1

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

탄소나노튜브가 강철보다 가벼우면서도 훨씬 강한 이유는 탄소 원자 간의 강력한 공유 결합과 독특한 기하학적 구조에 있습니다 탄소 원자들이 육각형 벌집 모양으로 연결된 그래핀 구조는 자연계에서 가장 단단한 결합중 하나인 오비탈 결합을 형성하는데 이 원자층이 원통형으로 말리면서 결함이 거의 없는 완벽한 분자 구조를 유지하게 됩니다 결과적으로 밀도는 강철의 약 6분의 1 수준으로 매우 낮지만 단위 면적당 결딜수 있는인장 강도는 수십 배 이상 높아지는 경량 고강도의 특성을 갖게 되는 것입니다

Answer 2

안녕하세요.

탄소나노튜브 참 유망한 소재 중 하나입니다.

탄소나노튜브는 탄소 원자들이 육각형 형태로 매우 촘촘하게 연결된 구조를 가지고 있습니다. 이러한 결합이 자연계에서도 매우 강한 공유결합이기 때문에 작은 크기에서도 큰 힘을 견딜 수 있는 특징이 있습니다. 그리고 내부가 비어 있는 튜브 형태이기 때문에 밀도 또한 낮아 무게도 매우 가볍습니다. 원자 간 결합 강도는 강한데, 구조 자체는 가벼운 형태인 것이에요.

결국 탄소나노튜브의 특징은 강한 원자결합에 속이 빈 초미세 구조에서 나오는 것이에요.

Answer 3

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

탄소나노튜브가 가벼우면서 강한 건 탄소 원자들이 결합하는 방식이 거의 완벽하기 때문이에요. 탄소 원자 하나가 주변 세 개의 탄소와 정육각형 벌집 모양으로 연결되는데, 이 결합이 자연계에서 가장 강한 공유결합 중 하나거든요. 같은 탄소로 이루어진 다이아몬드가 그토록 단단한 것도 이 결합력 덕분인데, 탄소나노튜브는 그 벌집 구조를 둥글게 말아놓은 형태라 잡아당기는 힘에 대해서는 다이아몬드보다도 유리한 구조를 갖고 있어요.

가벼운 이유는 단순해요. 탄소 자체가 원자 하나의 질량이 철의 약 4분의 1밖에 안 되거든요. 거기다 나노튜브는 속이 비어 있는 빈 대롱 구조라 같은 부피를 채워도 재료가 훨씬 적게 들어요. 가벼운 원자를 적게 쓰면서도 결합 자체는 극도로 강하니까 무게 대비 강도가 어마어마해지는 거예요.

강철이 이보다 약한 이유를 보면 차이가 더 분명해져요. 강철은 겉보기에 단단하지만 내부를 확대하면 철 원자들이 결정 알갱이 형태로 뭉쳐 있고, 알갱이와 알갱이 사이에 경계면이 존재해요. 힘을 받으면 이 경계면을 따라 원자 배열이 어긋나면서 미끄러지거든요. 쉽게 말해 약한 고리가 곳곳에 숨어 있는 셈이에요. 반면 탄소나노튜브는 이음새 없이 원자 하나하나가 끊김 없이 연결된 구조라 힘이 한 점에 집중되지 않고 전체로 고르게 분산돼요. 체인은 가장 약한 고리에서 끊어지는데, 약한 고리 자체가 없는 구조인 거랍니다.

다만 이 놀라운 성질은 나노 크기 한 가닥에서의 이야기예요. 이걸 실제 구조물에 쓸 만큼 길고 균일하게 만드는 게 아직 가장 큰 과제로 남아 있어서, 소재 자체의 성능과 실용화 사이에는 넘어야 할 간극이 있답니다 :)

Answer 4

안녕하세요. 박재화 박사입니다.

탄소나노튜브가 가벼우면서도 강한 이유는 구조적인 부분이 큽니다.

탄소나노튜브는 대학원 때도 잠깐 다뤄본 적이 있었는데, 탄소라는 소재들이 보통 탄소끼리 결합이 매우 강한 경우가 많습니다. 대표적으로 그래핀이나, 다이아몬드와 같은 소재들만 봐도 알 수 있습니다. 결합이 강하다 보니 작은 힘에도 쉽게 끊어지지 않는 특징을 가집니다.

그리고 탄소나노튜브는 속이 꽉 차있는 그런 형태가 아니고, 아주 얇은 튜브의 형태를 띄고 있습니다. 그래서 무게도 줄이면서 힘을 잘 버티는 구조가 됩니다. 재료는 가볍지만, 원자 배열이 잘 짜여있는 일종의 그물망 같은 구조인 셈입니다.

그래서 같은 무게로 비교한다면 강철보다도 훨씬 높은 강도를 보일 수도 있다는 말이 나오는 것입니다.

Answer 5

안녕하세요. 한성민 전문가입니다.

탄소나노튜브(CNT)는 탄소 원자들이 육각형 형태로 촘촘하게 연결된 구조를 가지고 있습니다.
이때 탄소 원자 사이의 결합이 매우 강해서 쉽게 끊어지지 않습니다.
그래서 아주 작은 두께라도 큰 힘을 버틸 수 있습니다.

또 CNT는 속이 빈 원통 형태라서 무게가 매우 가볍습니다.
즉, 재료를 많이 사용하지 않아도 구조적으로 강성을 유지할 수 있습니다.
건축에서 속이 빈 파이프가 단단한 것과 비슷한 원리입니다.

반면 강철은 강하지만 철 자체가 무거운 원소입니다.
탄소는 철보다 훨씬 가벼운 원소이기 때문에 전체 무게가 작습니다.
결국 CNT는 가벼운 탄소로 이루어졌지만 원자 간 결합은 매우 강해서,
강철보다 가볍고도 더 높은 강도를 가질 수 있습니다.