소금으로 만든 나노와이어

[그림] 나노와이어의 초신장(superelongation)을 보여주는 저속촬영된 투과형전자현미경 이미지

부서지기 쉬운 결정 물질인 보통의 식탁용 소금이 깨지지 않고 그 원래 길이의 두 배보다 더 연장된 나노와이어(nanowires)로 잡아 늘려질 수 있다는 것을 미국 연구자들이 발견했다 (NW Moore et al, Nano Letters, 2009. DOI:10.1021/nl9004805).

뉴멕시코의 알부쿼키(Albuquerque, New Mexico)에 있는 산디아국립연구소(Sandia National Laboratories)의 Nathan Moore와 그의 연구진은 소금 표면을 조사하기 위해 IFM(interfacial force microscope)을 이용하여 소금 결정들 위의 물의 흡착을 조사하다가 우연히 이것을 발견했다.

그들이 소금 표면을 찔렀을 때, 현미경의 탐침의 끝과 표면 사이에 독특하게 거동하는 힘을 보았다. 그 때는 이상하게 보였겠지만, 그들은 나노와이어를 만들고 있을 수 있다고 생각하였다. 백문이 불여일견이라고, 그들은 소금을 투과형전자현미경(transmission electron microscope)에 놓고, 거기서 나노와이어를 보았다고 말했다.

놀랍게도, 소금은 선으로 펴질 수 있는 연성을 가질 뿐만 아니라, 그 선들이 또한 초가소성(superplastic)을 가져서 끊어지기 전에 그 원래 길이 이상 만큼 늘어날 수 있다. 이 독특한 성질은 보통 소금과 같은 이온성 결정들 보다는 금속과 연관된다. 그 선은 또한 압력을 주어 결정으로 돌릴 수도 있으나 구부러지거나 휘어지는 경향이 있다.

이러한 독특한 초가소성을 일으키는 원인 중 일부는 현미경 자체와 관련 있을 수 있는데, 그 이미지를 형성하기 위해 사용되는 탐침의 끝에서 나오는 전자 광선이 큰 소금 결정들의 표면을 작은 알갱이들(grains)로 부술 수 있다. 이로 인해 그 알갱이들의 경계를 따라서 원자가 빠르게 확산하여 그 선이 끊어지지 않고 모양을 바꿀 수 있도록 해준다.

현미경 전자 광선으로 소금에 충격을 가하는 것이 또한 결정 격자에서 염소 이온들을 대신할 수 있어서, 전자들이 나트륨이온들을 재구성하여 금속성 나트륨을 형성하게 해준다. 나노와이어의 원소 분석 결과, 그 구성은 염화나트륨이 지배적이지만, 염소의 비율이 감소했음을 보였다. 이것은 방향성 결합(directional bonding)을 적게 가지며, 또한 전도할 수 있어서 전자 광선으로부터 나오는 전하를 방산하는 것을 도울 수 있는 금속성 나트륨이 나노와이어의 초가소성 성질을 보다 개선시킬 수 있다는 것을 의미한다.

전자 광선이 그 선의 성장에 얼마나 영향을 미치는 지 알아보기 위하여, 연구진은 전자 광선을 끄고 그 선을 당겨 보고, 이미지를 얻기 위해서 다시 켜는 과정을 되풀이 했다. 전자 광선을 켰을 때 만큼 길게는 아니고, 또 결국엔 그 선이 끊어졌기는 하지만, 그들은 여전히 그 나노와이어의 대량 신장을 관찰할 수 있었다. Moore는 전자 광선이 초가소성을 증가시키는 것이 확실하지만, 전자 광선이 그 선을 시작하기 위해서 필요한 지 아닌 지는 아직 모르겠다고 말했다.

이런 규모의 소금의 가소성은 매우 흥미롭고 또한 매우 놀랍다고 프랑스의 스크라스부르( Strasbourg)에 있는 물질물리및 화학연구소(Institute for Physics and Chemistry of Materials, IPCMS)에 있는 Florian Banhart가 말했다. Banhart는 전자 광선 아래서 강한 전하 효과가 있을 것이기 때문에 원자 확산이 이 거동에 대한 매우 그럴듯한 설명이 되는데, 그것이 구조의 결합을 만들 수 있고, 또 그래서 확산이 증가할 수 있다고 말하고, 확실한 것은 전자 광선이 있을 때와 없는 환경에서 차이점을 본다는 것이라고 말했다.

Moore는 소금 표면에서 나노와이어를 만들 수 있다는 가능성이 지리학적인 소금 침전물이나 바다 소금 연무질(aerosol)의 성질을 이해하는데 의미가 있을 수 있고, 아마도 구름의 핵형성(nucleation)이나 스모그 형성에서 염이 하는 역할에 대해 이해하는 것을 도울 수도 있다고 생각한다. 이것의 기본적인 측면이 매우 흥미로운데, 예를 들어 대기 중의 바다 소금 입자들이 충돌할 때 같은 일, 즉 나노와이어를 형성하는지 궁금하다고 Moore는 말했다.

[그림] 나노와이어의 초신장(superelongation)을 보여주는 저속촬영된 투과형전자현미경 이미지

090526_nanowire.jpg

http://www.rsc.org/

 

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Salt nanowire surprise
26 May 2009

Common table salt - normally a brittle crystalline material - can be pulled into nanowires that will extend by more than twice their own length without breaking, US researchers have found.

Nathan Moore and his team at Sandia National Laboratories in Albuquerque, New Mexico, were investigating water adsorption onto salt crystals using an interfacial force microscope (IFM) to probe the salt surface when they stumbled upon their discovery.

'When we poked the salt surface, we saw some unusual force behaviour [between the tip of the microscope probe and the surface]. It seemed crazy at the time, but we thought: "could we be making nanowires?" - of course, seeing is believing, so we put salt in the [transmission electron microscope] and there we saw the nanowires!' (see video at bottom of page)

Time-lapsed transmission electron microscope images showing superelongation of a nanowire

© Nano Letters

 

Surprisingly, the salt not only becomes ductile (i.e. able to be pulled into wires), but the wires are also superplastic - they can be extended by more than their own length before breaking. This unusual property is more normally associated with metals and certain ceramics, rather than ionic crystals like salt. The wires can also be compressed back into the crystal, but do tend to bend and buckle.

Part of the cause of this unusual superplasticity could be down to the microscope itself - the beam of electrons from the probe tip, which is used to form the image, can break up the surface of large salt crystals into tiny grains. This allows rapid diffusion of atoms along the grain boundaries, allowing the wires to deform rather than break.

Bombarding salt with the microscope electron beam can also displace chloride ions from the crystal lattice and cause electrons to recombine with sodium ions to form metallic sodium. 'Elemental analysis of the nanowires shows that the composition is predominantly sodium chloride,' says Moore, but there is a reduction in the proportion of chloride. This means that metallic sodium - which has less directional bonding and can also conduct, so could help dissipate charge from the electron beam - could be further improving the superplastic properties of the nanowires.

To see how much of an effect the electron beam has on the growth of the wires, the team tried pulling one out with the beam turned off, turning it back on to get a quick image every so often. They still saw massive elongation of the nanowire, although nowhere near as much as with the beam on, and the wire did eventually break. 'It's very clear the electron beam enhances the superplasticity,' comments Moore, 'but we don't know yet whether or not the electron beam is required to start the wire off.'

'Plasticity [of salt] on this scale is very interesting and also quite surprising,' says Florian Banhart, from the Institute for Physics and Chemistry of Materials (IPCMS) in Strasbourg, France. 'Atomic diffusion is quite a likely explanation for this behaviour as there will be a strong charging effect under the beam, which could create defects in the structure, so diffusion would be enhanced. What is quite convincing is that they see a difference between the situation with and without the electron beam.'

Moore thinks that the possibility of forming nanowires on salt surfaces could have implications in understanding the properties of geological salt deposits and sea salt aerosols, and perhaps help improve understanding about the role salt plays in cloud nucleation and smog formation. 'The fundamental aspects of this are very interesting - you have to wonder if, for example, sea salt particles in the atmosphere are doing the same thing when they collide - are they forming nanowires?'

Phillip Broadwith

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References