학문
질화붕소나노튜브(BNNT) 화학적 구조
육각형 대칭 구조로 인해ㅠ 쌍극자 모멘트가 상쇄되어 무극성 분자에 가깝다고 해도 되나요? BNNT의 구조에 대해서 자세히 알려주시옹 ㅠㅠ
3개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
질화붕소나노튜브의 구조부터 정리하고 쌍극자 이야기로 넘어갈게요. 결론을 미리 말하면 무극성에 가깝다는 표현은 절반만 맞아서, 어디까지 맞고 어디서부터 조심해야 하는지가 핵심이에요.
BNNT는 탄소나노튜브와 똑 닮은 구조예요. 탄소나노튜브가 탄소 원자로 된 육각형 벌집 그물을 둥글게 만 거라면, BNNT는 그 자리에 붕소와 질소가 번갈아 들어간 거예요. 탄소 두 개가 있던 자리를 붕소 하나와 질소 하나가 대신 채운 셈이죠. 그래서 육각형 하나하나가 붕소와 질소가 교대로 꼭짓점을 이루는 구조이고, 이게 원통형으로 말려 튜브가 돼요.
여기서 중요한 게 붕소와 질소의 성질 차이예요. 질소는 전자를 끌어당기는 힘인 전기음성도가 붕소보다 훨씬 커요. 그래서 붕소와 질소가 결합하면 공유한 전자가 질소 쪽으로 치우쳐요. 질소는 살짝 음전하를, 붕소는 살짝 양전하를 띠는 거예요. 이렇게 결합 하나하나가 전하의 치우침, 즉 쌍극자를 가지게 돼요. 탄소나노튜브는 같은 원자끼리 결합이라 이런 치우침이 아예 없는데, BNNT는 결합 단위에서부터 극성을 띤다는 게 결정적인 차이예요.
이제 질문하신 부분이에요. 육각형 대칭 때문에 쌍극자가 상쇄된다는 건 전체 분자를 멀리서 봤을 때의 이야기로는 맞아요. 육각형 안에서 붕소에서 질소로 향하는 결합들이 사방으로 대칭을 이루며 배치돼 있어서, 튜브 전체로 보면 이 쌍극자들이 서로 방향을 상쇄해 알짜 쌍극자 모멘트가 거의 0에 가까워지거든요. 그래서 튜브 전체가 한쪽으로 쏠린 큰 극성을 띠지는 않아요. 이 점에서는 무극성에 가깝다고 볼 여지가 있어요.
다만 무극성 분자라고 딱 잘라 말하는 건 조심하셔야 해요. 전체 쌍극자가 상쇄됐다는 것과 결합 자체가 무극성이라는 건 다른 이야기거든요. BNNT는 국소적으로는 분명히 극성 결합을 품고 있어요. 그래서 표면이 부분적으로 전하를 띠고, 이 성질 때문에 특정 분자와 잘 달라붙거나 물에 대한 친화성이 탄소나노튜브와 다르게 나타나요. 또 튜브를 어떻게 마느냐에 따라, 또는 양 끝부분에서는 대칭이 완벽하게 맞지 않아서 부분적인 극성이 살아 있기도 해요. 실제로 BNNT가 압력을 받으면 전기를 만들어내는 압전 성질을 보이는 것도 이 국소적 극성 덕분이에요. 완전한 무극성이라면 이런 성질이 나올 수가 없거든요.
그래서 정확하게 표현하면, BNNT는 전체적으로는 알짜 쌍극자가 상쇄되어 비극성에 가깝게 행동하지만, 결합 수준에서는 명백히 극성을 띠는 부분 극성 물질이라고 하는 게 맞아요. 무극성 분자라고 단정하기보다 전체와 국소를 나눠서 설명하시면 훨씬 정확한 답이 되요
이 차이 덕분에 BNNT는 탄소나노튜브와 생김새는 같아도 전기적으로는 완전히 달라요. 탄소나노튜브가 도체나 반도체로 행동하는 것과 달리 BNNT는 구조와 상관없이 항상 전기를 안 통하는 절연체이고 밴드갭이 아주 크거든요. 열에는 강하고 전기는 막아주는 이 조합이 BNNT만의 매력이랍니다 :)
안녕하세요. 박재화 박사입니다.
방향적으로는 맞지만 무극성 분자라고 딱 잘라서 말하기가 애매하네요.
BNNT는 대표적인 탄소나노튜브처럼 육각형 그물 구조를 가지고 있습니다. CNT는 단일 탄소로만 이루어져있는 반면에 BNNT는 탄소 대신에 붕소와 질소가 번갈아 결합한 구조입니다. 여기서 붕소 B와 질소 N은 전기음성도가 다릅니다. 그래서 각각의 B-N 결합 자체가 약한 극성을 띄는 특징이 있습니다. 이 때문에 결합 하나만 고려한다면 전자구름이 질소 쪽으로 조금 치우쳐 있다고 이해할 수 있는 것입니다.
하지만 이 결합들이 육각형 대칭 구조 안에서 규칙적으로 배열되면, 여러 방향의 쌍극자 성분들이 서로 상쇄되게 됩니다. 그래서 이상적인 BNNT 전체로 본다면 큰 쌍극자 모멘트가 나타나지 않기 때문에 무극성에 가까운 거동을 보일 수 있습니다.
즉, BNNT는 완전한 무극성 분자라기보다는, 극성 결합을 가진 대칭성 나노구조라고 이해하면 좋을 것 같습니다.
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
질화붕소 나노튜브는 탄소나노튜브와 비슷하게 육각형 벌집 구조가 원통 형태로 말린 구조이지만 탄소 대신 붕소와 질소가 번갈아 배열되어 있습니다 개별 붕소 탄소 결합은 전기음성도 차이 때문에 강한 극성을 가지며 결합마다 쌍극자 모멘트가 대부분 상쇄되어 거시적으로 거의 무극성에 까깝게 취급할 수 있습니다 다만 완전히 무극성 분자라고 보기는 어렵고 결합 말단 구조 고률 외부 응력 등에 의해 국소적인 전하 분포와 분극 현상이 나타날 수 있으며 이러한 특성 때문에 질화붕소 나노튜브는 높은 절연성 내열성 화학적 안정성을 가지면서도 독특한 유전 특성을 나타냅니다