영원한 다이아몬드도 인공으로 만든다면 몇 분 안에 가능 할까요? 열을 사용하지 않고 단시간에 다이아를 합성하는 기술이 등장!

KAIN

Credit:pixabay

다이아몬드 인공합성

 

자연계의 다이아몬드는 수십억 년 전에 지구의 지각 깊숙한 곳에서 강한 열과 압력에 노출된 결과 형성된 것입니다.

그러나 호주의 과학자들은 단 몇 분만에 더군다나 실온에서 다이아몬드를 만들 수 있다고 주장합니다.

11월 4일에 나노테크놀로지에 관한 과학잡지 "Small"에서 발표한 새로운 연구는 그런 합성 다이아몬드의 작성 방법에 대해 보고하고 있습니다.

 

다이아몬드가 생겨나기 까지

Credit:RMIT

 

다이아몬드는 보통 지구 표면의 150~200km 깊이에 형성됩니다.

온도는 평균 900~1,300℃, 압력은 지표의 약 5만배나 필요합니다.

이 특별한 조건에서 다이아몬드가 만들어지기 까지는 몇백만 년이 더 걸립니다.

이것이 다이아몬드가 흔한 탄소이면서 희귀한 광물인 이유입니다.

하지만 과학자들은 이 다이아몬드를 인공적으로 합성할 방법을 찾으려고 하고 있습니다.

최초로 합성 다이아몬드에 성공한 것은 1954년으로, 제너럴 일렉트릭사의 트레이시·홀이 지각내의 자연조건을 모방해 다이아몬드를 만들었습니다.

이 때 홀은 다이아몬드 형성의 프로세스를 가속시키기 위해 그라파이트에 용철 등의 금속 촉매를 첨가해 다이아몬드를 합성했습니다.

현재 업계에서 사용되는 합성 다이아몬드 작성의 가장 일반적인 방법은 이기술의 연장이 되는 것 으로 고온고압합성(HPHT) 법이라고 불립니다.

이 방법은 수십억 년 전 지구가 다이아몬드를 만들었듯이 탄소를 고온과 고압에 노출시키는 방법입니다.

하지만 이번 연구에선 호주국립대학(ANU)과 로열멜버른공대(RMIT대학) 연구팀이 맨틀 같은 고열에 의존하지 않고 실온에서 다이아몬드 합성에 성공했습니다.

움켜쥐면 탄소가 다이아몬드가 된다?

 

Credit: superman diamond scene,Hector Quiles

 

영화 슈퍼맨 중에는 슈퍼맨이 석탄을 움켜쥐고 다이아몬드를 만드는 유명한 장면이 등장합니다

당시 이것을 보고 따라서 석탄이나 목탄을 움켜 쥐고 손을 시커멓게 한 아이들도 많았는데 이는 과학적으로도 옳은 것이었다고 해요.

이번 연구는 이 슈퍼맨이 해낸 것과 같은 방식으로 다이아몬드를 합성한 것이라고 합니다.

팀이 실험한 것은 흑연과 같은 작은 칩의 흑연을 양 끝을 매우 높은 압력에 노출시키는 방법 이었습니다.

Credit:RMIT

이번 실험의 특징적인 점은 지금까지의 연구와는 달리 압력만을 가하고 열은 일절 가하지 않았다는 점입니다.

여기서 가한 압력은 80기가 파스칼을 넘는 것으로 발레신발 코 끝에 아프리카 코끼리 640마리분의 무게를 실어주는 것과 같다고 표현되어 있습니다.

그런 강력한 압력만으로 실험은 두 종류의 다이아몬드를 형성시킨 것입니다.

합성에 성공한 다이아몬드는 두 종류

 

다이아몬드는 탄소의 결정체이지만 이 결정구조는 사실 하나만이 아닙니다.

일반적으로 금은방과 같은 다이아몬드는 탄소 원자가 입방체로 늘어선 결정 구조를 가지고 있습니다.

하지만 이 탄소원자가 육각형으로 배치된 결정구조 도 존재합니다.

그것이 바로 론즈데이라이트라고 불리는 다이아 몬드입니다.

 

Credit:Wikipedia

 

론즈데이라이트가 처음 발견된 것은 애리조나에 있는 캐니언 디아블로 운석의 크레이터로부터 발견되었습니다.

운석 충돌의 강렬한 열과 압력에 의해 운석 내 그라파이트가 변이로 탄생한 것이 론즈데이라이트 입니다.

그런 희귀한 론즈 데이라이트를 이번 연구에서는 합성할 수 있었던 것입니다.

Credit:RMIT

합성된 다이아몬드를 전자 현미경으로 촬영한 화상에서는, 론즈데이라이트와 통상의 다이아몬드가 강과 같은 층을 만들어 합성되고 있는 것을 확인할 수 있습니다.

이것은 아직 수수께끼가 많은 론즈데이라이트의 형성을 이해하기 위해서도 중요한 성과입니다.

지구에서 가장 단단한 광물이 대량생산될 가능성도
론즈데이라이트는 연구에 따르면 통상의 입방정 다이아몬드보다 58%나 경도가 높을 가능성을 나타내고 있습니다.

즉 지구상에 있는 천연 광물 중에서 가장 단단한 물질인 것입니다.

그 때문에 공업용 기기의 재료로서 연구자로부터 관심을 받고 있습니다.

그러나 론즈데이라이트는 지금까지 고압 프레스나 폭발물을 사용해 극히 소량의 합성에 성공했을 뿐, 대량생산을 실시할 수 있는 방법은 아직 발견되지 않았습니다.

다이아몬드는 가뜩이나 단단한 보석으로서의 가치보다 공산품으로서의도 가치가 더 중요시 됩니다.

그런 다이아몬드나, 다이아몬드보다 딱딱한 희귀한 론즈데이라이트를 상온에서 단 몇분에 합성할 수 있다고 하는 이 기술은 많은 제조업의 가능성을 확장시켜 주는 중요한 발견입니다.

이 연구를 진행시켜 나가면 대량으로 신속하고, 값싸게 최고의 경도높은 공업재료를 생산할 수 있는 혁명을 일으켜 줄지도 모릅니다.

reference: ANU,RMIT,zmescience

원문기사는 아래링크를 참고하세요

Investigation of Room Temperature Formation of the Ultra‐Hard Nanocarbons Diamond and Lonsdaleite

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