다이아몬드 보다 강한 인공 다이아몬드 증명

다이아몬드 보다 강한 인공 다이아몬드 증명

실험실에서 6각형 다이아몬드 강도 측정

자연적으로 만들어진 재료 중 가장 단단한 것이 바로 다이아몬드이다. 천연 다이아몬드는 결정 구조가 44각형인 큐빅 다이아몬드가 대부분이다.

과학자들은 4각형 결정 구조의 규빅 다이아몬드 보다, 6각형 결정구조인 헥사고날 다이아몬드가 더 단단할 것이라는 이론을 발표했지만, 실험실에서 이를 증명하기는 쉽지 않았다.

과학자은 6각형 다이아몬드가 자연에서 발견된 4각형의 큐빅 다이아몬드보다 더 단단하다는 확실한 증거를 제시했다.

‘6면 결정구조’로 명명된 이 인공적인 6각형 다이아몬드는 일부 운석 충돌 현장에서 발견될 만큼 다이아몬드 중에서도 특별한 다이아몬드이다. 6각형 다이아몬드는 일부 실험실에서 잠깐 만들어진 적은 있었지만, 너무 작거나 혹은 아주 잠깐 존재하다가 사라지기 때문에 측정할 수 조차 없었다.

워싱턴 주립대학 (Washington State University)의 충격물리학 연구소 과학자들은 음파를 이용하여 강도를 측정할 수 있을 만큼 큰 6각형 다이아몬드를 만들었다. 이번 연구결과는 ‘피지컬 리뷰 B'(Physical Review B) 저널에 발표됐다.

다이아몬드는 강도와 경도가 좋아 사용범위가 다양하다. ⓒ 픽사베이

충격 물리학연구소 소장이며 이번 논문의 교신저자인 요겐드라 굽타(Yogendra Gupta)는 “충격 압축 실험을 통해 생산된 6각형 형태의 인공 다이아몬드는 일반 보석 다이아몬드보다 훨씬 단단하고 튼튼하다”고 말했다.

과학자들은 오랫동안 천연 다이아몬드보다 더 강하면서도 산업용으로 다양한 용도로 쓰일 수 있는 인공 다이아몬드를 만들고 싶어했다. 많은 과학자가 이론적으로는 6각형 다이아몬드가 더 강할 것이라고 발표했다. 워싱턴 주립대학 과학자들은 주로 이론적으로 존재했던 6각형 다이아몬드를 실험실에서 최초로 존재한다는 증거를 제공한 것이다.

흑연 고속으로 가속해서 6각형 다이아몬드 생성

논문의 주 저자인 프래비스 볼츠(Travis Volz) 박사 후 과정 연구원은 흑연에서 6각형 다이아몬드를 만드는 연구에 초점을 맞췄다. 연구팀은 화약과 압축 가스를 사용하여 시속 약 24,000km 속도로 작은 동전 크기 만한 흑연을 가속했다. 이 속도에 의해 흑연 원반에 충격파가 발생하여 흑연 원반은 6각형 다이아몬드로 매우 빠르게 변형되었다.

충격 직후 연구원들은 작은 음파를 만들고, 그 음파가 다이아몬드에서 어떻게 움직이는지 레이저로 측정했다. 소리는 단단한 물질에서는 더 빨리 움직인다. 이전 실험에서 소리는 큐빅 다이아몬드를 통해 가장 빠르게 움직였지만, 연구팀이 실험실에서 만든 인공 6각형 다이아몬드에서는 큐빅 다이아몬드에서 더 빨리 소리가 움직였다.

측정 과정은 수십억 분의 1초 안에 이루어졌지만, 연구원들은 고속 충격으로 다이아몬드가 파괴되기 전에 강성을 측정할 수 있었다.

천연다이아몬드의 사각형 결정 구조 ⓒ 위키피디아

6각형 다이아몬드의 결정 구조 ⓒ 위키피디아

강성은 재료의 힘이나 압력에서 변형에 저항하는 능력이다. 예를 들어, 돌은 눌러도 구부러지지 않지만, 고무는 누르면 구부러지기 때문에 돌이 고무보다 단단하다. 경도는 긁힘 또는 기타 표면 변형에 대한 저항이다.

일반적으로 강성이 높은 재료는 경도도 높다. 연구팀은 경도를 측정하기 위해 실험실에서 만든 인공 육각형 다이아몬드를 직접 긁어볼 수는 없었다. 그러나 연구팀은 경도를 추론할 수는 있다.

보석용으로 가치 높아질 듯

6각형 다이아몬드가 상업용으로 생성되고 회수될 수 있을 정도로 발전하면, 다양한 용도로 사용될 수 있다. 경도가 높은 재료는 가공하는 작업에 매우 유용하므로, 다이아몬드는 오랫동안 구멍을 뚫는 공구에 사용되어 왔다.

볼츠는 “6각형 다이아몬드가 4각형의 큐빅 다이아몬드보다 더 단단할 가능성이 높기 때문에 큐빅 다이아몬드가 사용되는 기계 가공, 드릴링 등 다양한 응용에도 탁월한 대안이 될 수 있다”고 말했다.

굽타 소장은 6각형 다이아몬드가 언젠가는 약혼반지에 사용될 수 있다고 말했다. 현재 실험실에서 만든 큐빅 다이아몬드는 천연 다이아몬드보다 가치가 떨어진다. 그러나 자연 상태에서 발견되는 6각형 다이아몬드는 매우 희소하기 때문에 인공 6각형 다이아몬드 역시 희소성이 높아진다.

굽타 소장은 “앞으로 6각형 다이아몬드를 상업적으로 생산하면, 보석용으로 큐빅 다이아몬드보다 훨씬 수요가 많을 것”이라고 전망했다.