3'30" 읽기
- 다이아몬드는 탄소가 고압 및 고온에서 압축될 때 형성
- 외계 슈퍼지구 55 Cancri e, 천왕성과 해왕성 같은 행성은 다이아몬드 생성에 더 유리한 조건
- 과학자들은 레이저 펄스로 충격을 받은 100㎛(마이크로미터)의 얇은 PET 필름 사용
- 약 100GPa의 압력으로 거의 섭씨 6천도까지 가열. 8ns(나노초) 동안 지속된 실험
- 산소의 영향으로 탄소와 수소의 분리가 가속화돼 나노다이아몬드의 형성 촉진

페트병 플라스틱에서 나노다이아몬드를 만든다.
PET로 보석을 만드는 것은 해왕성과 천왕성의 다이아몬드 형성에서 아이디어 얻어

해왕성에서와 같은 다이아몬드:
실험에서 알 수 있듯이 나노다이아몬드는 PET와 같은 플라스틱에서 생산할 수 있다. 이를 위해 연구원들은 플라스틱에서 다이아몬드로 탄소를 압축하기에 충분한, 압력과 열을 발생시키는 레이저 빔으로 PET 필름을 촬영했다. 이것은 다이아몬드가 천왕성과 해왕성과 같은 큰 얼음 행성 내부에서도 형성될 수 있기 때문에 흥미진진하다. 사이언스 어드밴스(Science Advances)에 연구팀이 보고한 바에 따르면 얼음 행성에는 거대한 다이아몬드가 비처럼 쏟아지고 있다. 

▲ 다이아몬드 생산 중 레이저에 의해 PET 필름에 생성되는 조건은 얼음 거인 해왕성과 천왕성 내부의 조건과 유사하다. © HZDR / Blaurock

다이아몬드는 탄소가 고압 및 고온에서 압축될 때 형성된다. 지구에서 이것은 지구 맨틀의 일부 지역에서만 발생하는 반면, 외계 슈퍼지구 55 Cancri e 또는 태양계의 얼음 거인 천왕성과 해왕성과 같은 더 큰 행성에서는 다이아몬드 생성에 더 유리한 조건을 갖고 있다. 그 안에는 거대한 다이아몬드가 내릴 수도 있다. 과학자들은 그러한 행성에서 보석이 어떻게 형성되는지 연구하기 위해 실험실 실험을 사용하고 있다.

이 목적에 사용되는 방법 중 하나는 얇은 탄화수소 포일에 강한 레이저 빔을 쏘는 것이다. 이것은 눈 깜짝할 사이에 재료를 최대 6천도까지 가열할 수 있으며 몇 나노초 동안 극도로 압축하는 충격파를 생성한다. 드레스덴-로센도르프에 있는 헬름홀츠(Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf(HZDR))의 도미니크 크라우스(Dominik Kraus)는 "지금까지 탄화수소로 만든 필름으로 이러한 테스트를 수행했다. 우리는 소위 나노다이아몬드라고 불리는 작은 다이아몬드가 극한의 압력 하에서 형성된다는 것을 결정할 수 있었다"고 설명했다.

탄소와 수소 그 이상

크라우스(Kraus)와 HZDR의 즈히유 헤(Zhiyu He)가 이끄는 연구팀은 최근 이 방법을 더욱 개선했다. 지금까지의 문제는 실험에 사용된 포일은 천왕성이나 해왕성 내부의 조건을 부분적으로만 반영할 수 있었다. 탄소와 수소뿐만 아니라 산소도 있다. 적절한 재료를 찾는 과정에서 과학자들은 유비쿼터스 물질인 PET(많은 플라스틱 병을 만드는 플라스틱)를 발견했다. "PET는 탄소, 수소 및 산소의 비율이 좋아 얼음 행성에서 일어나는 일을 시뮬레이션했다"고 Kraus가 설명했다.

그들의 실험에서 과학자들은 레이저 펄스로 충격을 받은 100㎛(마이크로미터)의 얇은 PET 필름을 사용했다. 약 100GPa의 압력으로 거의 섭씨 6천도까지 가열되었다. 8ns(나노초) 동안 지속된 실험에서 무슨 일이 일어나고 있는지 관찰하기 위해 그들은 캘리포니아에서 LCLS(Linac Coherent Light Source)를 사용해 실험을 수행했다. 이 가속기 기반 X선 레이저를 사용하면 50펨토초 정도의 프로세스를 관찰할 수 있다.

▲ LCLS의 MEC 종단에서 XRD, SAXS 및 VISAR를 결합한 실험 설정의 개략도. PET의 주변 및 구동 조건에서 원시 XRD 및 SAXS 데이터가 제공된다. SAXS는 제로 운동량 전달 피크를 차단하는 데 사용되는 high-Z 와이어를 사용해 직접 XFEL 빔을 중심으로 한다. 주변 및 구동 조건의 이미지는 동일한 색상 스케일을 적용한다. (출처: 관련논문 Diamond formation kinetics in shock-compressed C─H─O samples recorded by small-angle x-ray scattering and x-ray diffraction / Science Advances)

킬로 크기의 다이아몬드와 초이온수

결과: "산소의 영향으로 탄소와 수소의 분리가 가속화되어 나노다이아몬드의 형성이 촉진됐다"고 Kraus는 설명했다. 따라서 결과는 이미 의심되는 것처럼 실제로 얼음 거인 내부에 보석을 비가 내리고 있음을 시사한다. 그러나 연구원들은 이것이 훨씬 더 커서 수천 년에 걸쳐 행성의 얼음 층을 통해 가라앉아 수백 킬로그램의 무게에 이를 것으로 의심하고 있다.

Kraus의 팀은 다이아몬드 합성 과정에서 또 다른 현상에 직면했다.
“소위 초이온수가 형성되었을 것이다. 산소 원자는 수소 핵이 자유롭게 움직이는 결정격자를 형성한다”고 Kraus는 설명했다. 핵은 하전돼 있기 때문에 초이온수는 전류를 전도할 수 있으며 따라서 얼음 거인의 자기장 형성에 기여할 수 있다. 그러나 실험에서는 PET 필름에 충격을 가했을 때 실제로 초이온수가 생성되는지 여부를 의심할 여지없이 증명할 수 없었다. 연구원들은 유럽 XFEL에서의 실험을 통해 이 문제를 더 추구하기를 바라고 있다.

레이저 공장의 나노 다이아몬드

다이아몬드의 가능한 생산이 연구의 초점은 아니었지만, 그 공정은 여전히 ​​다재다능한 나노 원석을 위한 보다 지속 가능한 생산 방법으로 이어질 수 있다. "나노다이아몬드가 현재 만들어지는 방식은 탄소나 다이아몬드를 폭발물로 부수는 것이다"고 공동 저자인 Stanford Linear Accelerator Center의 Benjamin Ofori-Okai가 설명한다. “다이아몬드의 크기와 모양은 제어하기 어렵다. 레이저 생산은 이에 대한 보다 깨끗하고 제어 가능한 대안을 제공할 수 있다.”

현재 나노다이아몬드는 연마 및 연마 매체에 주로 사용되지만 미래에는 양자 센서, 의료용 조영제 ​​또는 CO2 분할을 위한 반응 촉진제로 사용될 수 있다. 연구팀은 통과하는 PET 필름에 고출력 레이저가 초당 10회 빛을 발해 필름을 통과하는 나노다이아몬드를 뿜어내는 방식으로 원석이 생산되는 것을 상상하고 있다. 그런 다음 포집기에서 속도를 늦추고 걸러낼 수 있다.

"이것은 나노다이아몬드가 예를 들어 크기나 외부 원자로 도핑되는 측면에서 특별히 맞춤화될 수 있게 한다"며 "X선 레이저를 통해 우리는 이제 다이아몬드의 크기 성장을 정밀하게 제어하는 ​​데 사용할 수 있는 실험실 도구를 갖게 되었다”크라우스는 설명했다.
(Science Advances, 2022, doi: 10.1126/sciadv.abo0617)
출처: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]