층간 삽입

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1. 개요
2. 층간 삽입의 예시
3. 박리(Exfoliation)
4. 관련 물질
참조

1. 개요

층간 삽입은 층상 구조를 가진 물질의 층 사이에 다른 분자나 이온이 끼어드는 현상을 말한다. 흑연, 리튬 이온 배터리, DNA 등에서 층간 삽입의 예시를 찾아볼 수 있다. 흑연의 경우, 알칼리 금속이 층 사이에 삽입되어 층간 화합물을 형성하며, 리튬 이온 배터리는 층간 삽입 공정을 활용하여 전기화학 에너지 저장을 가능하게 한다. DNA의 경우, 염기 사이에 분자가 삽입될 수 있으며, 이는 DNA 분석 방법으로 사용되거나 약제에 활용되기도 한다. 층간 삽입의 극단적인 형태는 층상 구조 물질의 층이 완전히 분리되는 박리이며, 클라트레이트, 포접 화합물 등과 관련이 있다.

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초분자화학 - 이온 결합
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층간 삽입
개요
정의	가역적인 이온의 층상 구조 물질 내 삽입
관련 현상	삽입 탈리
상세 설명
과정	층상 호스트 구조 내 게스트 종의 삽입 및 탈리
수반 현상	호스트 구조의 확장
응용 분야	에너지 저장 배터리 슈퍼커패시터
예시 물질	흑연 전이 금속 디칼코겐화물 층상 복수 산화물
관련 용어
인터칼레이션 화합물	삽입 반응으로 형성된 화합물
탈리	삽입된 물질이 호스트 구조에서 제거되는 과정
기타
연구 분야	재료 과학, 화학

2. 층간 삽입의 예시

층간 삽입 현상은 다양한 물질과 시스템에서 관찰된다. 대표적인 예시로는 탄소의 동소체인 흑연의 층상 구조 사이에 다른 원자나 분자가 끼어드는 경우를 들 수 있다. 또한, 현대 사회에서 널리 사용되는 리튬 이온 전지의 작동 원리 역시 전극 물질 내에서 리튬 이온의 층간 삽입과 탈리에 기반한다. 생명 현상과 관련해서는 DNA나 RNA의 염기쌍 사이에 특정 분자가 삽입되는 현상도 중요한 예시 중 하나이다. 이러한 예시들에 대한 자세한 내용은 아래 문단들에서 살펴본다.

2. 1. 흑연

정육각형으로 결합한 탄소 원자들이 층상 구조를 이루는 흑연은 대표적인 층간 삽입 호스트 물질이다. 흑연의 그래핀 시트 사이에는 반 데르 발스 틈새가 존재하며, 이 공간으로 다른 원자나 분자(게스트)가 삽입될 수 있다.^[3]

층간 삽입이 일어나면 시트 사이의 간격이 넓어지게 되는데, 이 과정에는 에너지가 필요하다. 일반적으로 이 에너지는 게스트 원자/분자와 호스트인 흑연 고체 사이에 전하가 이동하는 산화 환원 반응을 통해 공급된다.

칼륨(K)과 같은 알칼리 금속 원자가 흑연 층 사이에 삽입되는 것이 잘 알려진 예이다. 1926년에 처음 발견된 KC₈은 최초의 흑연 층간 화합물이다.^[9] 이 외에도 칼륨의 비율이 다른 KC₂₄, KC₃₆ 등이 있으며, 칼륨 외에 다른 알칼리 금속이나 주족 원소 (및 그 산화물이나 황화물)가 삽입된 다양한 흑연 층간 화합물이 알려져 있다.^[10]

흑연 층간 화합물은 여러 분야에서 유용하게 활용된다. 예를 들어, KC₈은 환원 시약 등으로 사용되며, LiC₆는 리튬 이온 전지의 음극 재료로 널리 이용된다.^[11]

2. 2. 리튬 이온 배터리

2020년대 초반까지 층간 삽입 공정의 가장 중요하고 널리 사용되는 분야 중 하나는 리튬 이온 전기화학 에너지 저장 기술이다. 이 기술은 수많은 휴대용 전자 장치, 이동 기기, 전기 자동차, 그리고 전력 규모의 배터리 전기 저장소에 사용되는 배터리에 적용된다.

2023년 기준으로, 상업적으로 판매되는 모든 리튬 이온 전지는 활성 물질로 층간 삽입 화합물을 사용한다. 대부분의 경우, 배터리의 물리적 구조 내에서 양극과 음극 모두에 이러한 화합물이 활용된다.^[4]

층간 삽입 리튬 이온 배터리 개발에 기여한 공로로, 2012년에는 구디너프, 야자미, 요시노 세 연구원이 IEEE 환경 및 안전 기술 메달을 수상했다. 이후 2019년에는 구디너프, 위팅엄, 요시노가 "리튬 이온 배터리 개발"에 대한 공헌을 인정받아 노벨 화학상을 공동 수상했다.^[5]

층간 삽입 화합물의 대표적인 예로는 흑연 기반 화합물이 있다. 정육각형으로 결합한 탄소 원자가 여러 층으로 쌓인 흑연 구조의 층 사이에 칼륨(K) 원자가 삽입된 KC₈은 1926년에 최초로 발견된 층간 삽입 화합물이다.^[9] 이 외에도 칼륨 비율이 다른 KC₂₄나 KC₃₆, 그리고 칼륨 외 다른 알칼리 금속이나 주족 원소(또는 그 산화물, 황화물)가 삽입된 다양한 흑연 층간 삽입 화합물이 알려져 있다.^[10] 이러한 화합물 중 KC₈은 환원 시약 등으로 사용되며, 특히 리튬(Li)이 삽입된 LiC₆는 리튬 이온 전지의 음극 재료로 널리 활용된다.^[11]

2. 3. DNA

DNA나 RNA의 염기 사이에 특정 분자가 끼어들어가는 현상을 층간 삽입 또는 인터칼레이션(intercalation)이라고 한다. 이러한 현상은 DNA의 복제나 전사 과정에 영향을 미칠 수 있다. 삽입되는 물질에 따라 암이나 기형의 원인이 될 수 있다는 우려도 있지만, 아직 직접적인 증거는 밝혀지지 않았다.

층간 삽입 현상은 다양한 분야에서 활용된다.

분자생물학 실험에서는 핵산과 결합하면 형광을 내는 에티듐(ethidium bromide)을 이용하여 DNA 염기를 검출하는 데 층간 삽입 원리를 이용한다.^[12] 에티듐 분자가 DNA 염기쌍 사이에 끼어들어가 결합하는 성질을 활용하는 것이다.
특정 약물 개발에도 이용된다. 안트라사이클린(anthracycline) 계열의 항암제는 DNA에 층간 삽입되어 핵산 합성을 방해함으로써 암세포의 증식 속도를 늦추는 효과를 나타낸다.^[13] 하지만 동시에 심장 기능에 여러 부정적인 영향을 미칠 수 있다는 단점도 있다.^[14]

3. 박리(Exfoliation)

층간 삽입의 극단적인 사례는 물질의 층이 완전히 분리되는 것이다. 이 과정을 박리(Exfoliation^eng)라고 한다. 일반적으로 매우 극성이 강한 용매와 반응성이 큰 시약을 사용하는 등 격렬한 조건이 필요하다.^[6]

4. 관련 물질

클라트레이트는 분자를 가두거나 포함하는 격자로 구성된 화학 물질이다. 일반적으로 클라트레이트 화합물은 중합체이며, 손님 분자를 완전히 둘러싼다. 포접 화합물은 종종 분자인 반면, 클라트레이트는 전형적으로 중합체이다. 층간 삽입 화합물은 클라트레이트 화합물과 달리 3차원이 아니다.^[7] IUPAC에 따르면, 클라트레이트는 "손님 분자가 숙주 분자 또는 숙주 분자의 격자에 의해 형성된 케이지 안에 있는 포접 화합물"이다.^[8]

참조

_[1] 서적 INTERCALATION CHEMISTRY https://books.google[...] Elsevier 2012-12-02
_[2] 서적 Progress in Intercalation Research https://books.google[...] Springer Science & Business Media 2012-12-06
_[3] 서적 Inorganic Chemistry https://books.google[...] Academic Press 2021-03-12
_[4] 웹사이트 Anode vs Cathode: What's the difference? https://www.biologic[...] BioLogic 2023-05-25
_[5] 웹사이트 The Nobel Prize in Chemistry 2019 https://www.nobelpri[...] Nobel Foundation 2023-06-04
_[6] 간행물 Liquid Exfoliation of Layered Materials
_[7] 서적 Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry Wiley-VCH
_[8] 문서 clathrates
_[9] 간행물 Intercalation of Li to a Few Layers of Graphenes https://doi.org/10.1[...] 日本MSR 2012-01-15
_[10] 서적 理科年表平成19年丸善 2006-11-25
_[11] 서적 典型元素の化合物岩波書店 2004-04-27
_[12] 웹사이트 核酸（DNA・RNA）の定量法 ―吸光分析法と蛍光分析法を中心に― http://www.jsac.or.j[...] 日本分析化学会 2018-08
_[13] 웹사이트 "Principles of Oncologic Pharmacotherapy" https://www.cancerne[...] 2009-04-15
_[14] 웹사이트 7.심독성 https://medical.nikk[...] 2013-10-07

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