스피드가 필요한 분자 - 진공 상태에서 이뤄지는 세계에서 가장 작은 자동차 경주

스피드가 필요한 분자 - 진공 상태에서 이뤄지는 세계에서 가장 작은 자동차 경주

나노카(nanocar)는 크기가 매우 작으며 하나의 분자로만 구성되어 있습니다. 이런 종류의 "경주용 자동차"가 참여하는 대회가 프랑스 툴루즈에서 개최되었는데, 이는 초고도 진공 및 절대온도 0도에 가까운 극한의 환경에서 이뤄졌습니다.
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이 경주에서는 굉음을 내는 엔진과 위험한 추월 운전 등은 경험할 수 없으며 시속 km(킬로미터)가 아닌 시속 nm(나노미터)의 단위로 속도가 측정되기 때문에 현란한 속도감을 느낄 수도 없습니다. 그럼에도 불구하고 이 조그만 나노카 사이의 경쟁은 개별적인 분자, 원자 및 원자 입자를 제어하는 기술과 밀접한 관련이 있어 매우 흥미를 자아냅니다.

진공 환경에 기인한 자유 운동

이 대회에서 경주장은 길이는 수백 나노미터 정도이며 순금으로 만들어져 있습니다. 또한 나노 경주는 매우 낮은 온도의 극한 환경에서 벌어집니다. 경주로를 따라 나노카가 움직이도록 지시하기 위해 분자 자체의 움직임은 최소화시켜야 하며, 따라서 액체 질소와 헬륨을 사용하여 고정 위치는 -269°C로 냉각됩니다. 절대온도 0도에 가까운 환경에서는 거의 모든 입자가 스스로 움직이지 않게 됩니다.

차량이 자유 운동을 할 수 있도록 경주장에 있는 외부침입 원자를 완전히 제거할 필요가 있습니다. 대기에 함유된 산소 분자 등의 조그만 이물질조차도 트랙에서 나노카를 이탈시킬 수 있습니다. 이러한 조건을 유지하기 위해 경주는 초고진공 상태에서 진행됩니다. 터보 및 이온게터(ion getter) 진공 펌프의 사용으로 압력은 10-11 mbar로 줄어들게 됩니다.

경로 마킹용 원자

경주 전, 순금으로 된 경주로를 철저하게 청소합니다. 표면에 이온을 충돌시킨 후 가열하여 평평한 트랙을 확보합니다. 나노과학자들은 이 트랙을 따라 차량의 코스를 표시하기 위해 개별 순금 원자를 추가합니다.

그 다음 과제는 분자 자동차가 파괴되지 않도록 주의하면서 코스에 배치하는 것입니다. 이를 위해 분자 자동차는 준비 챔버에서 증발할 때까지 가열됩니다. 경주의 적합한 후보자는 그에 따라 순금 경주장의 표면에 쌓이는 분자에서 선정됩니다.

터널 흐름을 사용한 감지

사람 머리카락 지름의 약 100,000분의 1 크기 정도 되는 작은 경주차는 빛의 파장이 너무 길어서 광학 현미경을 사용하여 볼 수 없습니다. 이러한 이유로 연구진은 주사 터널링 현미경을 사용하여 경기에서 어떤 일이 일어나는지 추적합니다. 이 도구를 사용하여 말단이 단 하나의 원자로 구성된 전기 전도성 탐침을 레이스 트랙의 표면 위에서 간격이 단 몇 나노미터인 격자 모양으로 이동시킬 수 있습니다.

탐침 팁과 조사 대상이 접촉되지는 않지만, 양자역학 법칙에 따라 낮은 전압이 인가될 때 터널 흐름이 생성됩니다. 터널 흐름의 체적 유량은 물체와 탐침 사이의 거리에 따라 크게 달라집니다. 순금 박면을 주사할 때 탐침의 팁은 거리와 터널 흐름 유량이 항상 일정하게 유지되도록 정밀하게 제어됩니다. 이를 통해 연구진은 나노카의 위상적 표현과 함께 경주 코스의 높이 프로필을 만들 수 있습니다.

결승선까지 8시간 소요

실제 연구진은 탐침을 사용하여 경주용 자동차를 관측할 뿐만 아니라 그 이동을 제어할 수도 있습니다. 또한 터널 흐름도 활용할 수 있습니다. 툴루즈에서 이 방법은 전자를 추가하여 더 높은 에너지 수준으로 몇몇 분자 차의 에너지 상태를 끌어올리는 데 사용되었습니다. 이 경우 차들은 즉시 이 에너지를 재발산하여 운동 에너지로 변환했습니다. 다른 경주팀은 전진하기 위해 전극의 정전기적 반발력을 사용했습니다.

물론 탐침 팁을 사용하여 목적지까지 차를 기계적으로 조작하는 것도 가능하지만, 이는 경기 중 비상시에만 허용되었습니다. 실제로 승리한 스위스팀은 이러한 조작에 의존할 필요가 없었습니다. 그들이 개발한 Swiss Nano Dragster는 시간당 약 12나노미터의 경이적인 속도를 기록했으며, 약 8시간 만에 금색의 결승선을 가로지를 수 있습니다. 실제 차량 경주와 마찬가지로 샴페인을 터뜨리며 승리를 자축했습니다.

Busch는 세계 각지의 연구소에 진공 기술을 제공하고 있습니다. 또한 Busch는 젊은 연구원과 개발자를 지원하기 위해 진공 기술을 대학과 학생 연구그룹에 제공하여 이들을 후원하고 있습니다.


연구진은 나노카를 제작하는 데 약 100여 개만의 원자를 사용할 수 있었습니다. 그러나 구성 방법이나 외관에 대한 엄격한 제한은 없었습니다.

승리를 부르는 에어 쿠션 차량의 원리

여섯 팀의 각 연구진이 제공한 차체는 역시나 매우 다양했습니다. 프랑스팀, 미국팀, 미국-오스트리아 협업 팀의 나노카는 일반적인 4륜 차량과 유사했지만, 일본의 나노카는 뼈다귀를 연상시켰으며, 독일의 나노카는 풍차와 같은 구조를 가졌습니다. 바젤 대학교(University of Basel)의 성공적인 설계 방식은 에어 쿠션 차량의 원리를 따랐습니다. 평면인 분자는 Y 모양으로 배열된 4개의 탄소 고리로 이루어져 있었습니다. 이 구조의 엔진은 3개의 탄소 원자에 의해 형성되는 반면, 전면 스포일러는 메틸 그룹으로 형성되었습니다. 그러나 바젤대학교의 나노 연구진은 이 분자를 나노카 경주 전용으로 개발하지 않았습니다. 스위스팀이 진행하는 일반적인 연구에서 Swiss Nano Dragster는 유기 태양전지의 구성 요소로서 쓰이고 있기도 합니다.


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