강철보다 가벼우면서도 수십 배 더 단단한 탄소 나노 튜브가 강력한 내구성을 가지는 원리를 탄소 원자 간의 공유 결합 특징으로 설명해 주세요.

Question

강철보다 가벼우면서도 수십 배 더 단단한 탄소 나노 튜브가 강력한 내구성을 가지는 원리를 탄소 원자 간의 공유 결합 특징으로 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

탄소 나노 튜브가 강철보다 훨씬 가벼우면서도 수십 배 이상 단단한 이유는 탄소 원자 간의 강력한 공유 결합과 이를 바탕으로 형성된 원통형 벌집 구조에 있습니다.

탄소 나노튜브 내부의 탄소 원자들은 sp2 혼성 궤도를 형성하며 인접한 다른 3개의 탄소 원자와 전자를 공유하는 공유결합을 합니다. 이 공유 결합은 결합 길이가 매우 짧고 강해서, 다이아몬드의 입체 결합보다 단일 평면상에서의 결합 에너지가 더 높아 결합을 끊어내려면 엄청난 에너지가 필요합니다.

또한, 탄소 원자들이 육각형 그물망 구조를 형성하여 둥글게 말린 형태를 띠기 때문에 외부에서 강한 힘을 가하더라도 정육각형 구조가 탄력적으로 변형되며 충격을 원통 전체로 균일하게 분산시키기 때문에 구조적으로 이음새가 없는 완성된 튜브 형태여서 힘이 한 곳에 집중되어 파괴될 위험이 매우 적습니다. 그리고 탄소 자체도 가벼운데다 튜브 내부가 비어 있는 빨대 모양의 구조를 하고 있어, 밀도는 강철보다 매우 가볍지만 잡아당기는 힘에 견디는 인장 강도는 강철보다 최대 100배 이상 높습니다.