탄소로만 이뤄진 원자 한 층 두께 시트 물질인 그래핀은 물질 강도가 매우 높고 열 전도도와 전기 전도도가 높아서 미래 신소재로 기대되고 있다. 스웨덴 린셰핑대 연구팀이 그래핀과 마찬가지로 원자 한 층 두께 금 시트인 골덴(Goldene)을 생성하고 분리하는 데 성공했다고 보고했다.
지금까지 많은 과학자가 그래핀과 유사한 2차원 재료를 추구해 왔지만 금속 원자는 항상 클러스터화해 나노 입자가 되는 경향이 있어 금속 원자 2차원 재료 생성은 상당히 어려웠다. 2015년 발표된 연구에선 주석 원자 2차원 물질이, 2019년 연구에선 납 원자 2차원 물질이 보고된 바 있다. 이번에 연구팀이 발표한 건 처음으로 단독으로 자립하는 금 원자 2차원 물질로 연구팀은 이를 그래핀에 맞춰 골덴이라고 명명했다.
골덴을 생성하기 위해 연구팀은 티타늄 탄화물 사이에 실리콘 단일 원자층을 삽입한 물질을 만들었다. 이 적층 구조 위에 금을 입혔더니 금 원자가 해당 구조 내부로 확산해 실리콘을 치환하며 금 단일 원자층이 형성됐다.
이후 티타늄 탄화물만 제거해 골덴 단독 물질을 취출했다. 티타늄 탄화물을 제거하는 기술에는 단조기술인 무라카미 시약(Murakamis regent)이 응용됐다고 한다. 무라카미 시약은 탄화물을 애칭해 제거하고 강철 색을 변화시키는 데 사용되는데 연구팀은 농도와 시간을 조금씩 바꿔가며 실험을 계속했다고 한다. 또 티타늄 탄화물을 제거한 뒤 노출된 골덴이 말려 금 나노 입자가 되는 걸 막기 위해 계면활성제를 사용해 구조를 안정화시켰다고 한다.
연구팀은 시트 물질인 골덴은 용액 속에 있으며 우유에 들어간 콘플레이크와 조금 비슷하다. 일종의 체를 사용해 골덴을 모으고 전자현미경으로 검사해 성공 여부를 확한다고 설명했다.
금 나노 입자는 전자공학, 촉매, 포토닉스, 센싱, 바이오의료 등 분야에서 유망한 것으로 여겨지고 있어 연구팀은 골덴 역시 유용할 가능성이 있다고 시사하고 있다. 예를 들어 금 나노 입자는 광을 흡수하면 전자가 고에너지 상태로 전이한다는 광학적 특성이 있어 이 성질을 이용해 물을 분해해 수소를 생성하는 광촉매 등이 연구 개발되고 있다. 골덴을 대량 생산할 수 있게 되면 다양한 곳에서 사용되는 금의 양을 크게 줄일 수 있는 가능성도 있다.
연구팀은 이번에 생성된 골덴이 새로운 가능성을 열 수도 있겠지만 이 특성에는 아직 미지의 부분이 많아 앞으로 더 연구가 필요하다고 밝혔다. 백금이나 은 등 다른 귀금속에서도 골덴 같은 생성 방식으로 2차원 물질을 만들 수 있는지도 조사할 계획이라고 한다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.