러시아 과학 아카데미(Russian Academy of Sciences)의 젤린스키 유기화학 연구소(Zelinsky Institute of Organic Chemistry)의 연구팀은 적절한 조영제로 탄소 물질의 표면을 매핑함으로써 그래핀 층 위의 결함들을 가시적으로 표현하는데 성공했다. 이 간단한 이미징 방법은 대면적 탄소 표면 위의 결함 패턴을 확인할 수 있게 한다. 탄소 표면 위에 존재하는 몇 종류의 결함들은 몇 분 내에 미시적인 이미지로 표현될 수 있다. 이 연구결과는 Chemical Science에 게재되었다.

그래핀과 관련된 2차원 물질들은 매우 중요한 화합물들을 만들 수 있을 것으로 예상되기 때문에 많은 연구가 진행되고 있다. 이것은 그래핀과 같은 2차원 물질들이 지극히 얇으면서 강하고 뛰어난 전기적 및 열적 특성을 가지기 때문이다. 이러한 독특한 특성을 가진 재료의 영향은 실제로 매우 클 수 있다. 과학자들은 그래핀에 의해서 향상된 광촉매, 매우 효율적인 광 전환, 차세대 스마트 재료 등이 개발될 수 있을 것이라 예견했다.

걸림돌은 그래핀의 결함을 제어할 수 없다는 점이다. 즉, 결함이 없는 이상적인 그래핀 표면을 제조하기가 매우 어렵고, 결함들은 다양한 크기 및 형상을 가질 수 있다. 또한 동적 거동 및 변동은 결함들의 위치를 더 알기 어렵게 만든다. 결함 위치를 알고 재료의 품질을 추정하기 위해서 대면적 그래핀 시트를 조사하는 프로세스는 시간이 많이 걸이는 작업이다. 또한 탄소 표면 위의 결함을 수집하고 가시화할 수 있는 간단한 방법이 부족하다.

이번 연구진에 의해서 수행된 연구 프로젝트의 목표는 탄소 물질의 표면 위의 결함 영역에 선택적으로 부착될 수 있는 특정 조영제(수용성 팔라듐 복합물)를 개발하는 것이다. 팔라듐(Pd)의 부착은 나노입자들이 집적되게 하는데, 이것은 일반적인 전자 현미경을 사용해서 쉽게 검출될 수 있다. 탄소 센터가 점점 더 반응성을 가질수록, 조영제의 결합은 점점 더 강해진다. 따라서 탄소 표면 위의 반응성 센터와 결함 부위는 나노크기 이미징 방법을 이용함으로써 고해상도 및 뛰어난 대비를 가진 3차원 공간에서 매핑(mapping)되었다. 개발된 방법은 형상의 차이와 화학적 반응성의 차이 때문에 탄소 결함들을 구별했다. 따라서 이런 이미징 방법은 화학적 반응성을 공간 해상도로 가시화될 수 있게 한다.

“팔라듐 마커(marker)"로 탄소 반응성 센터를 매핑하는 것은 그래핀 층의 반응성에 대한 독특한 통찰력을 주었다. 이 연구에서 나타난 것처럼, 2,000개 이상의 반응성 센터들은 1 µm2의 균일한 탄소 재료의 표면적에 위치될 수 있다. 이 연구는 나노크기일 때 탄소 재료의 공간 복잡성을 보여주었다. 표면 결함 밀도의 매핑은 표면적에 따른 변화를 보여주었는데, 이것은 결함 구조의 종류를 알 수 있게 했다.

더 정확하고 더 쉬운 관찰을 위해서 조영제를 사용하는 진단 방법은 의료용 분야에서 유용한 것으로 입증되었다. 이 연구는 원자 크기로 재료를 진단할 수 있는 단층 촬영 분야의 새로운 가능성을 보여준다. 이 연구결과는 저널 Chemical Science에 “Spatial imaging of carbon reactivity centers in Pd/C catalytic systems”라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1039/C5SC00802F).

그림. 탄소 물질의 품질을 추정하고 그래핀 시스템의 물리적 및 화학적 특성을 예측하는데 중요한 결함의 위치.

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 5월 13일]

A convenient procedure to visualize defects on graphene layers by mapping the surface of carbon materials with an appropriate contrast agent was introduced by a team of researchers from Zelinsky Institute of Organic Chemistry of Russian Academy of Sciences (Moscow) involved in international collaborative project. Developed imaging (tomography) procedure has revealed organized patterns of defects on large areas of carbon surfaces. Several types of defects on the carbon surface can be "caught" and captured on the microscopic image within a few minutes. 

The article describing the research was published in Chemical Science journal of Royal Society of Chemistry.

Graphene and related 2D materials are anticipated to become the compounds of the century. It is not surprising -- graphene is extremely thin and strong, as well as possesses outstanding electrical and thermal characteristics. The impact of material with such unique properties may be really impressive. Scientists foresight the imminent appearance of novel biomedical applications, new generation of smart materials, highly efficient light conversion and photocatalysis reinforced by graphene. 

However, the stumbling block is that many unique properties and capabilities are related to only perfect graphene with controlled number of defects. However, in reality ideal defect-free graphene surface is difficult to prepare and defects may have various sizes and shapes. In addition, dynamic behaviour and fluctuations make the defects difficult to locate. The process of scanning of large areas of graphene sheets in order to find out defect locations and to estimate the quality of the material is a time-consuming task. Let alone a lack of simple direct methods to capture and visualize defects on the carbon surface. 

Joint research project carried out by Ananikov and co-workers revealed specific contrast agent -- soluble palladium complex -- that selectively attaches to defect areas on the surface of carbon materials. Pd attachment leads to formation of nanopartilces, which can be easily detected using a routine electron microscope. The more reactive the carbon center is, the stronger is the binding of contrast agent in the imaging procedure. Thus, reactivity centers and defect sites on a carbon surface were mapped in three-dimensional space with high resolution and excellent contrast using a handy nanoscale imaging procedure. The developed procedure distinguished carbon defects not only due to difference in their morphology, but also due to varying chemical reactivity. Therefore, this imaging approach enables the chemical reactivity to be visualized with spatial resolution. 

Mapping carbon reactivity centers with "Pd markers" gave unique insight into the reactivity of the graphene layers. As revealed in the study, more than 2000 reactive centers can be located per 1 µm2 of the surface area of regular carbon material. The study pointed out the spatial complexity of the carbon material at the nanoscale. Mapping of surface defect density showed substantial gradients and variations across the surface area, which can possess a kind of organized structures of defects. 

Medical application of imaging (tomography) for diagnostics, including the usage of contrast agents for more accuracy and easier observation, has proven its utility for many years. The present study highlights a new possibility in tomography applications to run diagnostics of materials at atomic scale.