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- 다이아몬드라는 용어는 무적이라는 그리스어 "adamas"에서 파생되었다.
- 수백 기가파스칼의 극한 압력에서도 결정 격자가 안정적으로 유지
- 액화하려면 12.7MPa(메가파스칼) 이상의 압력과 약 4천 도의 온도가 필요
- 다이아몬드는 1,000도가 훨씬 넘는 온도에서 지구의 맨틀 깊이 약 150~200km에서 형성

첨단 소재로서의 다이아몬드, 고대 보석의 새로운 용도

다이아몬드는 귀중한 보석을 장식하고 세계에서 가장 단단한 재료 중 하나이며 불멸의 것으로 간주된다. 이 작은 탄소 결정은 훨씬 더 많은 일을 할 수 있다. 빛의 섬광을 생성하고 늘리거나 구부릴 때 상상할 수 없는 전자 특성을 개발하며 양자 기술을 발전시킬 수도 있다.

다이아몬드는 단순히 장식하고 반짝이는 것 이상으로 산업 분야에서 다양하게 사용된다는 것을 오랫동안 입증해 왔다. 뛰어난 경도로 인해 드릴링, 연삭 및 절단에 없어서는 안될 제품이다. 그동안 광학, 포토닉스 및 양자 기술도 이 보석의 가치를 발견했다. 다이아몬드 격자의 특별한 구조는 탄소 결정에 독특한 열, 전자 그리고 양자 물리적 특성을 부여한다. 덕분에 다이아몬드는 미래에 가장 현대적인 첨단 기술 응용 분야에서 중요한 역할을 할 수 있다. 

▲ 다이아몬드는 보석으로 빛날 뿐만 아니라 기계적 및 전자기적 특성으로 하이테크 소재로 사용된다. © studiocasper / Getty images

1. 세상에서 가장 단단한 광물
   - 다이아몬드를 유연성 있게 만드는 것은?

일반 탄소로 구성되어 있지만 불멸로 간주되며 엄청난 압력을 견디며 돌, 유리 또는 강철도 절단할 수 있다. 다이아몬드는 자연적으로 형성된 가장 단단한 재료이며 모스 경도 척도에서 최대값 10에 도달한다. 이것은 이름에도 반영되어 있다. 다이아몬드라는 용어는 무적이라는 그리스어 "adamas"에서 파생되었다.

컴팩트한 그리드와 안정적인 연결

이러한 보석의 비정상적인 탄력성 뒤에는 무엇이 있을까?
결국, 그것들은 일반 탄소에 불과하므로 하나의 원자층으로 구성된 부드럽고 마모되는 흑연, 목탄 또는 그래핀과 동일한 요소로 구성된다. 이들 모두의 공통점은 탄소 원자가 4개의 외부 전자를 갖고 최대 4개의 파트너와 공유 결합을 형성할 수 있다는 것이다. 이러한 결합은 관련된 원자의 전자 사이에 상호 작용을 일으키며, 이를 통해 전자의 궤도가 융합되고 공통 하이브리드 궤도가 발생한다.

다이아몬드는 극한의 압력과 고온에서 만들어지기 때문에 탄소 원자는 이웃과 특히 조밀하고 안정적인 결합을 형성한다. 각 탄소 원자가 4개의 길쭉한 sp3 하이브리드 궤도를 통해 4개의 인접한 탄소 원자에 연결된 입방형 결정 격자가 생성된다. 결합은 중심에 원자핵이 있는 사면체를 형성한다.

▲ 다이아몬드 격자의 탄소 결합에 있는 전자 궤도. 전형적인 사면체 모양. © 스벤 / CC-by-sa 3.0

고압, 경도 및 내열성

탄소 원자와 조밀한 격자 구조 사이의 높은 결합 에너지의 조합은 다이아몬드를 매우 견고하게 만든다. 수백 기가파스칼의 극한 압력에서도 결정 격자가 안정적으로 유지되고 변형에 저항한다. 그런 이유로 과학자들은 고압 실험에서 지구의 핵이나 다른 행성 내부의 조건을 시뮬레이션하고자 할 때 다이아몬드 스탬프 셀을 사용한다.

동시에 다이아몬드 표면은 다른 재료로 쉽게 긁히지 않는다. 거친 다이아몬드는 작은 다이아몬드 알갱이가 사용되기 때문에 연마될 수 있다. 다이아몬드 격자의 경우에도 방향에 따라 경도의 미세한 차이가 있어 입자가 점차 격자의 일부를 제거할 수 있다. 그러나 그것들을 사용하더라도 거친 다이아몬드를 완성하는 데 몇 주 또는 몇 달이 걸릴 수 있다.

다이아몬드는 단단할 뿐만 아니라 모든 광물 중에서 융점이 가장 높다.
이를 액화하려면 12.7MPa(메가파스칼) 이상의 압력과 약 4천 도의 온도가 필요하다. 가열 중 압력이 낮아지면 다이아몬드 구조가 흑연으로 변한다. 그것의 조밀한 격자 구조는 또한 다이아몬드를 모든 요소의 최고의 열전도율을 갖게 한다. 미터당 약 2,300W(와트)로 은보다 거의 5배나 높다.

그것이 어떻게 생겼는지에 대한 미스터리

다이아몬드의 이러한 속성은 다이아몬드의 생성과 밀접하게 연관되어 있다.
순수한 탄소가 열의 영향을 받아 강하게 압축될 때만 조밀한 그리드가 생성되기 때문이다. 따라서 대부분 다이아몬드는 1,000도가 훨씬 넘는 온도에서 지구의 맨틀 깊이 약 150~200km에서 형성된다. 가장 크고 가장 큰 다이아몬드는 더 깊은 뿌리를 가지고 있다. 결정 구조의 작은 내포물에서 알 수 있듯이 660km 이상의 깊이에서 나온다.

그러나 다이아몬드 형성이 어떻게 작동하는지, 어떤 요인이 역할을 하는지는 지금까지 기초적으로만 밝혀졌다. 어떤 경우에는 pH 값의 변화가 역할을 할 수 있고, 다른 경우 결정 형성은 암석 기공의 액체 금속이나 전기장에 의해 선호된다. 그러나 놀랍게도 열과 압력이 거의 없는 잠긴 해양 지각에서 생성된 보석도 있다.

이 모든 것은 다이아몬드가 지구의 역사를 통틀어 매우 다른 과정에 의해 형성되었음을 시사한다. 2021년 노보시비르스크 주립 대학의 Palyanov와 그의 동료들은 전문 잡지 ‘Science Advances’에 "천연 다이아몬드의 형태, 내포물, 나이, 기원의 암석학 및 지질 역학적 환경 측면에서 볼 때, 천연 다이아몬드의 엄청난 다양성은 여러가지 메커니즘이 다이아몬드 형성에 작용한다"고 말했다.  (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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