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- 전자빔은 탄화수소 아다만탄(Adamantane)*을 몇 초 만에 다이아몬드로 변환한다.
- 진공 상태에서 아다만탄 결정에 80~200kV로 가속된 전자를 몇 초 동안 조사.
- 실험 온도는 영하 173도에서 영상 23도까지
- 인공 다이아몬드는 결정 격자에 손상이나 변형이 없어 거의 완벽한 다이아몬드 형성
- 보석에는 적합하지 않지만, 산업용이나 양자 센서 등에 적합

합성 다이아몬드로 가는 새로운 길
전자빔을 이용하여 완벽한 나노 다이아몬드를 만들 수 있다.

순식간에 보석을:
새로운 공정을 통해 고온 고압 없이도 인공 다이아몬드를 생산할 수 있다. 전자빔은 탄화수소 아다만탄(Adamantane)*을 몇 초 만에 다이아몬드로 변환한다. 화학자들이 "Science"에 보고한 바와 같이, 생성된 나노다이아몬드는 격자 결함이나 기타 결함 없이 사실상 완벽한 상태다. 자연계의 일부 다이아몬드도 이러한 고에너지 입자에 의해 생성되었을 가능성이 있다. *녹는점 268℃의 안정된 탄화수소 

▲ 생산된 다이아몬드의 크기는 불과 몇 나노미터에 불과하다.

다이아몬드는 탄소의 매우 작고 안정적인 형태이기 때문에 매우 단단하다. 이 보석은 지구 맨틀에서 높은 압력과 열을 가해 형성됐으며, 고대 화산을 통해 지각으로 유입됐다. 지각에서 흔히 볼 수 있지만, 발견하고 회수하기가 어렵다. 이것이 바로 다이아몬드가 합성 다이아몬드로 생산되는 이유다. 매우 높은 압력과 온도에서 탄소는 다이아몬드 격자의 조밀한 구조로 압축된다.

새로운 제조 방법

도쿄대학교의 지아루이 푸(Jiarui Fu)가 이끄는 연구팀이 발견한 것처럼 또 다른 방법이 있다. 그들은 극한 조건, 촉매, 첨가제 없이도 작동하는 방법, 즉 고에너지 전자를 이용한 제어된 방사선 조사를 개발하고 시험했다.

화학자들은 탄화수소 아다만탄(C10H16)을 출발 물질로 사용했다. 이 결정질 화합물은 이미 다이아몬드와 유사한 탄소 골격을 가지고 있다. 두 물질 모두에서 탄소 원자는 사면체 대칭 격자를 형성한다. 그러나 아다만탄은 이러한 격자 구조를 가진 느슨하게 연결된 단량체로만 이루어져 있다. 더 나아가, 탄소 원자는 수소와도 결합돼 있다.

다이아몬드 격자에 전자가?

아다만탄을 다이아몬드로 만들기 위해서는 단량체 가장자리에 있는 강력한 탄소-수소(C-H) 결합이 끊어지고 C-C 결합으로 변환되어야 한다. 그래야만 단량체들이 서로 결합하여 치밀한 격자를 형성할 수 있다. 이전 연구에서는 탄화수소 원자에 전자를 충돌시켜 이온화할 수 있음을 보여주었다. 이는 C-H 결합의 절단을 촉진하고 이론적으로는 새로운 C-C 결합의 자발적인 형성을 가능하게 한다.

문제는 "아무도 이것이 실현 가능하다고 생각하지 않았다"는 것이다. 도쿄대학교의 선임 저자인 나카무라 에이이치(Nakamura Eiichi)의 설명이다. "전문가들의 공통된 의견은 유기 분자가 전자빔을 받으면 빠르게 분해된다는 것이었다." 따라서 아다만탄은 치밀한 다이아몬드 격자를 형성하기 전에 분해될 ​​것이다. 실제로 전자 조사를 통해 안정적인 탄소 생성물을 생산하고 분리하는 데 성공한 사람은 아직 없었다.

▲ 이 투과 전자 현미경 이미지는 전자 조사 하에서 아다만탄 분자가 다이아몬드 구조로 조립되는 모습을 보여준다. © 2025 Nakamura et al. CC-BY-ND

나노 다이아몬드와 쌍정(雙晶, Crystal Twinning)

푸의 연구팀은 투과 전자 현미경(TEM)을 사용해 아다만탄에 전자를 충돌시켰을 때 정확히 어떤 일이 일어나는지 조사했다. 이를 통해 어떤 조건에서 아다만탄이 다이아몬드로 변환될 수 있는지 확인할 수 있었다. 이를 위해 연구팀은 진공 상태에서 아다만탄 결정에 80~200kV로 가속된 전자를 몇 초 동안 조사했다. 실험 온도는 영하 173도에서 영상 23도까지였다.

놀라운 결과:
특정 조건에서 조사는 정육면체 모양의 결정 구조와 직경 2~4nm(나노미터)의 작은 다이아몬드 구체를 생성했다. 연구팀은 "장시간 조사는 이러한 나노 다이아몬드 융합을 유도하여 직경 8~20nm의 쌍둥이 결정을 형성했다"고 보고했다. 부산물로 수소 가스(H₂)가 생성됐다.

거의 완벽한 다이아몬드 격자

연구진이 전자 충격을 통해 아다만탄을 다이아몬드로 변환하는 데 성공한 것은 이번이 처음이다. 나카무라는 "이 다이아몬드 합성 사례는 전자가 유기 분자를 파괴하는 것이 아니라, 조사되는 분자가 적절한 특성을 가지고 있다면 정확하게 정의된 화학 반응을 일으키게 한다는 것을 보여주는 결정적인 증거다"고 말했다.

다른 합성 공정과 달리, 아다만탄으로 만든 인공 다이아몬드는 결정 격자에 손상이나 변형이 없다. 그러나 연구진이 아다만탄과 유사한 다른 출발 물질로 이 공정을 시험했을 때, 합성은 실패했다. 화학자들은 "이러한 결과는 사면체 대칭 아다만탄 골격이 다이아몬드 합성에 가장 적합한 구성 요소임을 보여준다"고 기술했다.

다이아몬드는 어떻게 형성될까?

면밀한 분석을 통해 전자 충격 과정에서 나노 다이아몬드가 어떻게 형성되는지 밝혀졌다. 먼저, 아다만탄 단량체가 유연한 올리고머 구성 요소를 형성한 후, 이 구성 요소가 합쳐져 ​​점점 더 크고 구형이며 단단한 탄소 단위로 변했다. 따라서 출발 물질의 C-H 결합은 격자 가장자리에만 남아 있었고, 나노 다이아몬드 내부는 상호 연결된 탄소 원자로만 구성되었다.

연구진은 이 과정의 속도가 C-H 결합이 얼마나 빨리 절단될 수 있는지에 달려 있다는 것을 발견했다. 아다만탄을 다이아몬드로 전환하는 데 필요한 에너지는 주입된 전자에서만 발생했으며, 추가적인 열에너지는 필요하지 않았다. 덕분에 냉각 조건과 실온에서 모두 공정을 진행할 수 있었다. 수소 방출은 공정을 촉진하고 화학 반응에 에너지적으로 기여했다.

실용적 사용 및 근본적인 의의

이 새로운 방법은 이제 합성 나노 다이아몬드를 생산하는 데 사용될 수 있다. 이러한 물질들은 보석에는 적합하지 않지만, 산업용이나 양자 센서 등에는 적합하다. 필요한 아다만탄은 천연가스나 석유에서 추출할 수 있다.

이러한 실용적인 용도 외에도, 이 실험은 실험실 밖 자연환경에서도 전자의 영향으로 다이아몬드가 형성될 수 있다는 것을 근본적으로 보여준다. 아다만탄과 같은 고리형 탄화수소는 우주 방사선의 고에너지 전자에 의해 다이아몬드로 변환될 수 있다.

이는 나노 다이아몬드가 지구의 운석이나 우라늄 함유 퇴적물에서도 발견되는 이유를 설명할 수 있다. 이 연구는 이러한 소형 보석이 전자 충격을 통해 어떻게 그리고 왜 형성되는지 보여준다.
참고: Science, 2025; doi: 10.1126/science.adw2025
출처: 도쿄대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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