[2010 노벨물리학상] 안드레 가임 & 콘스탄틴 노보셀로프 : '스카치테이프'로 2차원 물질 '그래핀'을 발견하다

 

 

📜 들어가며: '불가능'이라 불렸던 2차원의 꿈

 

2000년대 초반, 물리학은 '나노 기술' [Nanotechnology]이라는 새로운 혁명의 문턱에 서 있었습니다. 1986년 노벨상의 주역이었던 비니히와 로러는 STM을 이용해 원자 '하나'를 보는 데 성공했습니다. 과학자들은 이제 물질을 원자 단위에서 '제어'하는 꿈을 꾸기 시작했습니다.

하지만 이 모든 탐구는 '3차원' [3D] 세계에 갇혀 있었습니다.

물론 물리학자들은 '2차원' [2D] 물질을 상상했습니다. 예를 들어, 우리가 매일 쓰는 '연필심' [흑연, Graphite]은 '탄소 원자'들이 얇은 판[Graphene, 그래핀]의 형태로 층층이 쌓여있는 구조입니다. "만약 이 흑연에서 정확히 원자 한 층 [2D]만 떼어낼 수 있다면?"

이것은 100년 가까이 이어진 '이론적 상상'일 뿐이었습니다. 1930년대의 거장 레프 란다우 [1962년 수상]를 비롯한 물리학자들은 "완벽한 2차원 결정은 열역학적으로 불안정하다"고 증명했습니다. 이론에 따르면, 원자의 열 진동 때문에 2차원 막은 즉시 '녹아내리거나' '쭈글쭈글'해져, 독립적으로 존재할 수 없었습니다.

'그래핀'은 불가능한 물질, 신화 속의 유니콘이었습니다.

하지만 2004년, 영국의 맨체스터 대학에서 기상천외한 소식이 들려왔습니다. 두 명의 물리학자가, 수십억짜리 장비가 아닌, 문방구에서 파는 스카치테이프 [Scotch Tape]를 이용해 이 '불가능한' 2차원 물질을 '떼어내는' 데 성공한 것입니다.

2010년 노벨 물리학상은, 이 '그래핀'이라는 기적의 물질을 발견하여 21세기 재료 과학의 새로운 시대를 연 '괴짜 스승과 제자', 안드레 가임 [Andre Geim]과 콘스탄틴 노보셀로프 [Konstantin Novoselov]에게 수여되었습니다.

 

🏆 영광의 수상 이유: "2차원 물질 그래핀에 관한 획기적인 실험"

 

스웨덴 왕립 과학 아카데미는 2010년, 이 두 명의 공로를 인정하여 노벨상을 공동 수여했습니다.

"2차원 물질 그래핀 [Graphene]에 관한 그들의 획기적인 실험 공로를 기리며"

이 수상은 1987년 '고온 초전도체' 발견 이후 가장 '빠른' 수상 중 하나였습니다. [발견은 2004년에 이루어졌습니다.] 이는 그들의 발견이 '단순한 물질 발견'이 아니라, 물리학의 '상식'을 뒤집고 '새로운 분야'를 창시한 혁명이었음을 의미합니다.

• 이론을 뒤집다: 그들은 '2차원 물질은 존재할 수 없다'는 70년 묵은 이론의 '허점'을 파고들어, '그래핀'이 실제 존재함을 증명했습니다.
• 새로운 시대를 열다: 그들이 발견한 '그래핀'은 '꿈의 신소재'였습니다. 지구상에서 가장 얇고[원자 한 층], 가장 강하며[강철의 200배], 가장 전기가 잘 통하는[구리보다 100배] 이 물질은, 21세기 반도체와 디스플레이 혁명의 '열쇠'가 되었습니다.

 

⚡️ '스카치테이프 신공': 2004년의 발견

 

이 위대한 발견의 과정은 '빅 사이언스'의 거대한 흐름과는 정반대에 있었습니다. 그것은 '호기심'과 '놀이'의 산물이었습니다.

맨체스터 대학의 안드레 가임 교수는 '금요일 저녁 실험' [Friday Night Experiments]으로 유명한 '괴짜' 물리학자였습니다. 그는 공식적인 연구비나 거대 프로젝트와 상관없이, '재미있어 보이는' 엉뚱한 실험을 하는 것으로 유명했습니다.

2000년대 초, 그의 연구실은 '흑연' 조각으로 '트랜지스터'를 만드는 연구를 하고 있었습니다. 그들은 '양성자 연필' [흑연]을 최대한 얇게 깎으려 노력했습니다. 하지만 수백 개의 층 이하로는 내려갈 수 없었습니다.

[2004년, 운명적인 '테이프'] 어느 날, 가임과 그의 박사후연구원이었던 콘스탄틴 노보셀로프는 연구실 한구석에서 '스카치테이프'를 발견했습니다. [혹은 다른 연구원이 현미경 샘플을 닦기 위해 사용하던 테이프를 보았다고도 합니다.]

그들은 장난처럼 '기계적 박리' [Mechanical Exfoliation]라는, 지극히 '무식한' 방법을 시도했습니다.

1. 흑연 조각에 '스카치테이프'를 붙였다가 떼어냅니다. [흑연 층의 절반이 테이프에 붙어 나옵니다.]
2. 이 테이프의 '접착면'을 반으로 접었다가 다시 떼어냅니다. [층은 다시 절반으로 얇아집니다.]
3. 이 과정을 10번, 20번 반복합니다.

[기적의 발견] 그들은 이 '너덜너덜해진' 테이프를 '실리콘 웨이퍼' [반도체 기판] 위에 붙였다가 떼어냈습니다. 웨이퍼 표면에는 수많은 탄소 '찌꺼기'들이 묻어났습니다.

그들은 이 '찌꺼기'를 '광학 현미경'으로 들여다보았습니다.

대부분은 수십, 수백 개의 층이었습니다. 하지만 그중에는, 배경과 간신히 구별될 정도로 '희미하게' 보이는 조각이 있었습니다. 그들은 이 조각이 '극도로' 얇다는 것을 직감했습니다.

그들은 이 조각에 '원자간력 현미경' [AFM, 1986년 수상 원리]의 탐침을 가져다 댔습니다.

측정 결과, 그 조각의 두께는 0.34 나노미터. 이것은 '탄소 원자 한 층'의 두께와 정확히 일치했습니다.

그들은 마침내 '불가능'이라 불렸던 그래핀을 손에 넣은 것입니다.

 

🔬 '꿈의 신소재' 그래핀은 무엇인가?

 

'스카치테이프'라는 비웃음은 그래핀의 '물성'이 측정되자마자 경탄으로 바뀌었습니다. 원자 한 층의 이 2차원 물질은 '기적' 그 자체였습니다.

완벽한 벌집 구조

그래핀은 탄소 원자들이 '육각형 벌집 모양' [Honeycomb Lattice]으로 빈틈없이 연결된 '단일 평면'입니다.

가장 얇고, 가장 강하다

이론적으로 가능한 가장 얇은 [Thinnest] 물질입니다. 원자 한 층보다 얇을 수는 없습니다. 동시에, 이 '벌집 구조'는 인류가 아는 가장 강한 [Strongest] 물질입니다. 같은 두께의 강철보다 200배나 강합니다.

'질량이 0'인 전자

그래핀의 진짜 마법은 '전기적 특성'에 있습니다.

그래핀 내부에서 '전자'는, 1933년 수상자인 폴 디랙이 예언했던 '질량이 0인 상대론적 입자' [Massless Dirac Fermions]처럼 행동합니다.

이 '질량이 없는' 전자는 저항을 거의 받지 않고, '빛의 속도'의 1/300이라는 어마어마한 속도로 그래핀 표면을 질주합니다. 이것은 현존하는 '실리콘' 반도체보다 100배 이상 빠른, 궁극의 반도체 재료였습니다.

투명하고 유연하다

그래핀은 가시광선의 97.7%를 통과시킬 만큼 투명하며, 종이처럼 유연합니다. '휘어지는 디스플레이', '투명 전극', '입는 컴퓨터'의 꿈이 현실이 된 것입니다.

 

🧐 TMI와 그의 유산

 

'괴짜'의 이그노벨상 [Ig Nobel Prize]

안드레 가임은 2010년 노벨 물리학상을 수상하기 10년 전인 2000년, 이미 '괴짜 노벨상'인 이그노벨상을 수상한 특이한 이력의 소유자입니다.

그는 '자석'으로 '개구리를 공중에 띄우는' [자기 부상] 실험에 성공하여 이 상을 받았습니다. 그는 "과학은 '재미'있어야 한다. 나는 그저 호기심으로 놀았을 뿐이다"라고 말했습니다.

안드레 가임은 '노벨상'과 '이그노벨상'을 모두 수상한 유일한 인물로 역사에 남았습니다.

최연소 수상자, 노보셀로프

콘스탄틴 노보셀로프는 1974년생으로, 2010년 수상 당시 불과 36세였습니다. 이는 1915년 25세의 로렌스 브래그 이후, 가장 젊은 노벨 물리학상 수상자 중 한 명이었습니다. 그는 스승 가임의 '엉뚱한' 호기심을 '집요한' 실험으로 구현해낸 완벽한 파트너였습니다.

왜 '2D 물질'은 존재했는가?

란다우의 이론이 틀렸을까요? 아닙니다. 란다우는 '완벽하게 평평한' 2D는 불안정하다고 했습니다. 가임과 노보셀로프가 발견한 그래핀은 '완벽하게 평평'하지 않았습니다.

그것은 마치 파도처럼, 원자 단위의 미세한 '주름' [Ripples]을 가지고 있었습니다. 이 '3차원적 주름'이 2차원 물질이 붕괴하지 않고 안정적으로 존재할 수 있게 만든 '신의 한 수'였습니다.

 

✍️ 나가며: '호기심'과 '테이프'가 이룬 혁명

 

2010년 노벨 물리학상은 '빅 사이언스' [Big Science]의 시대에, '스몰 사이언스' [Small Science]가 거둔 가장 극적인 승리였습니다.

수십억 달러의 거대 가속기나 우주 망원경이 아닌, 대학 연구실의 '스카치테이프' 한 통과 '현미경' 한 대가 21세기를 정의할 '꿈의 신소재'를 발견했습니다.

안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프는 "불가능하다"는 70년의 이론적 '상식'을 의심했고, '놀이'처럼 즐겁게 실험했습니다.

그들이 떼어낸 '탄소 원자 한 층'은, 물리학, 화학, 재료 공학의 경계를 허무는 '2차원 혁명'의 첫 번째 신호탄이 되었습니다.