나노 재료
비표면적과 입경의 관계, 나노입자의 융점 강하, 탄소 나노튜브와 그래핀의 구조와 성질, 양자점, 나노입자의 합성법, 응집과 분산, BET 비표면적을 3지선다 문제로 확인할 수 있습니다. 계산 문제에도 해설이 있습니다.
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나노 재료 핵심 정리
입자를 작게 하면 비표면적은 입경에 반비례하여 증가하며, 구형이라면 S = 6/(ρd)로 추정할 수 있습니다. 표면 원자의 비율이 늘어나면 표면 에너지가 재료 전체의 성질에 영향을 미치게 되어, 금속 나노입자에서는 융점이 벌크보다 낮아집니다. 반도체 양자점에서는 구속 효과로 유효 밴드갭이 넓어지므로 입경으로 발광색을 바꿀 수 있습니다. 탄소에서는 그래핀과 이를 원통형으로 만 탄소 나노튜브가 대표적입니다.
나노입자는 큰 재료를 부수거나 깎는 톱다운 방식이나, 원자나 분자를 핵생성과 성장으로 쌓아 올리는 보텀업 방식으로 만듭니다. 입경을 균일하게 하려면 핵생성을 짧은 시간에 집중시키는 것이 핵심입니다. 생성된 입자는 응집하기 쉬우므로 표면 전하나 분산제로 분산 상태를 유지합니다. 비표면적은 BET법으로 측정하며, TEM으로 구한 1차 입자 지름이나 액중 입경과 비교하면 응집 정도도 알 수 있습니다.
나노 재료 문제 목록(12문제)
- 지름 20 nm인 구형 TiO₂ 나노입자(밀도 4.0 g/cm³)가 모두 같은 크기로 낱낱이 분산되어 있다고 한다. 분말 1 g당 표면적(비표면적)에 가장 가까운 것은 무엇인가?
- 금이나 주석 등 금속의 나노입자에서는 입경이 수 nm까지 작아지면 벌크의 융점보다 낮은 온도에서 융해한다. 이 융점 강하의 주된 원인으로 옳은 것은 무엇인가?
- 구형 금속 나노입자의 융점을 지름 d를 써서 Tm(d) = Tm∞(1 − β/d)로 근사할 수 있다고 한다. 금의 벌크 융점 Tm∞ = 1337 K, β는 가정한 모델값으로 1.0 nm라고 할 때, 지름 5.0 nm인 금 나노입자의 융점에 가장 가까운 것은 무엇인가?
- 단일벽 탄소 나노튜브의 전자적 성질은 그래핀을 마는 방향을 나타내는 카이랄 지수 (n, m)으로 정해지며, n − m이 3의 배수이면 금속적, 그렇지 않으면 반도체적이 된다. 다음 중 금속적인 것은 무엇인가?
- 단일벽 탄소 나노튜브의 지름은 그래핀의 격자 상수 a = 0.246 nm를 써서 d = a√(n² + nm + m²)/π로 나타낸다. 카이랄 지수 (10, 10)인 나노튜브의 지름에 가장 가까운 것은 무엇인가?
- 그래핀의 구조와 성질에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
- CdSe 양자점(벌크 밴드갭 1.74 eV)에서 구속에 의한 에너지 증가가 반지름 R의 제곱에 반비례한다는 간단한 모델을 가정하고, R = 3.0 nm일 때 0.30 eV였다고 한다. R = 2.0 nm인 양자점의 실효 밴드갭에 가장 가까운 것은 무엇인가? 전자와 정공의 쿨롱 상호 작용은 무시한다.
- 나노 재료의 제조법은 큰 재료를 잘게 만드는 톱다운 방식과 원자나 분자를 쌓아 올리는 보텀업 방식으로 나뉜다. 보텀업 방식에 해당하는 것은 무엇인가?
- 핫 인젝션법(고온의 용매에 전구체를 한꺼번에 주입하는 방법)으로 입경이 고른(단분산) 나노입자를 얻기 쉬운 이유로 옳은 것은 무엇인가?
- 물속에 분산시킨 산화물 나노입자가 응집하여 가라앉지 않게 하는 방법으로 적절한 것은 무엇인가?
- 분말의 비표면적을 측정하는 BET법의 원리로 옳은 것은 무엇인가?
- 어떤 알루미나 나노 분말에서 TEM으로 관찰한 1차 입자의 지름은 약 30 nm, BET 비표면적으로부터 구형으로 가정해 구한 입경도 약 30 nm였다. 그런데 물에 분산시켜 동적 광산란으로 측정한 평균 입경은 약 400 nm였다. 이 결과의 해석으로 가장 적절한 것은 무엇인가?