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탄소 원자가 교대로 3개 및 4개의 결합 파트너를 갖는 3차원 격자 구조.
응용분야; 절삭재료, 다이아몬드 스템프, 가스 저장장치, 광전자 및 화학분야에 적용.

새로운 형태의 다이아몬드 발견, '펜타 다이아몬드'
일반 다이아몬드보다 가볍고 단단하며 반도체 특성을 가지고 있다.

놀라운 발견 :
연구원들이 일반 다이아몬드보다 훨씬 단단한 탄소 구조를 발견했다.
이 ‘펜타 다이아몬드’는 더 가볍고 동시에 반도체 특성도 지니고 있다.
펜타 다이아몬드의 결정 격자는 탄소 원자로 구성되며, 탄소 원자는 3개, 때로는 4개의 다른 원자와 교대로 연결된다.

▲ 다양한 크기의 결합고리가 번갈아 나타남 : Pentadiamond는 일반 다이아몬드보다 단단한 탄소의 새로운 구조 변형이다. © Y. Fujii, University of Tsukuba/ APS

지구의 뜨거운 깊이에서 형성되는 다이아몬드는 가장 단단한 천연 재료다.
이 탄소 결정에서 각 원자는 밀접하고 매우 강한 결합으로 4개의 이웃에 연결돼
다이아몬드 격자를 매우 단단하고 안정적으로 만든다. 탄소는 연질 흑연에서 나노 튜브, 축구공 모양의 풀러렌에서 순수한 탄소로 만들어진 고리에 이르기까지 수많은 다른 구조적 변형이 만들어질 수 있다.
 
다른 유형으로 변형

일본 쓰쿠바 대학(Tsukuba University)의 야스마루 후지이(Yasumaru Fujii)와 동료들은 최근 새로운 형태의 탄소 동소체 펜타 다이아몬드를 확인했다. 그들은 컴퓨터 모델에서 탄소 원자의 가능한 조합을 조사했다. 이때 발견한 새로운 원자 껍질은 서로 다른 두 개의 결합 상태로 존재한다. 소위 sp3 혼성화에서, 4개의 추가 탄소 원자를 갖는 원자는 공유 결합을 형성할 수있다. sp2 상태에서는 세 개의 결합을 형성한다.

Fujii는 “sp2 및 sp3 수화된 원자를 가진 탄소 동소체는 원자 네트워크에서 더 많은 수의 조합 및 배열을 가능하게 하기 때문에 더욱 다양한 형태를 가능하게 한다”고 설명했다.
연구원들은 시뮬레이션에서 혼합 탄소 원자로부터 결정 격자를 생성하기위한 기초로 5원자 고리로 구성된 두 개의 탄화수소를 사용했다.

▲ 흰색은 4개의 결합을 가진 탄소 원자, 검은색 부분은 3개의 결합 파트너를 가진 원자를 나타낸다. © Y. Fujii / 쓰쿠바 대학

다이아몬드보다 단단하고 흑연만큼 가벼움

결과는 탄소 원자가 교대로 3개 및 4개의 결합 파트너를 갖는 3차원 격자 구조였다.
이것은 직조된 탄소 오각형의 배열을 만들었다. 그런 다음 소위 밀도함수주기를 사용해 과학자들은 이 "penta diamond"가 가질 수 있는 특성을 결정했다.

펜타 다이아몬드는 일반 다이아몬드보다 더 높은 압력과 전단 강도를 가지고 있음이 밝혀졌다. 일반 다이아몬드의 경우 무너지기 전까지 1,200GPa9기가파스칼)을 견딜 수 있으나 새로운 물질은 거의 1,700 기가파스칼의 압력을 받을 수 있다.
Pentadiamond는 전단력을 받을 때 1,163Gpa를 견딜 수 있다.
"다이아몬드의 강점을 능가한다"고 Fujii와 그의 동료들은 말했다. 동시에, 재료는 높은 강도에도 불구하고 비교적 가벼우며, 밀도는 흑연과 같다.

연구자들은 이러한 특성이 원자 구조에 기인한다고 하는데, 여기에서 구조물의 지주와 같이 크기가 다른 서로 짜여진 고리가 추가적인 안정성을 제공한다.

펜타 다이아몬드는 펴면 두꺼워진다.

그러나 더 특이한 점은 펜타 다이아몬드를 분리하고 격자 구조를 늘리면 두껍게 된다.
물리적으로 말하면, 이 물질은 음의 ​​포아송 수를 가진다 : 결정 격자는 수축하는 대신 연신 방향을 가로질러 늘어난다. 이러한 보조 물질은 드물지만 일부 폴리머와 미네랄에서 발견된다. 또한 펜타 다이아몬드(Penta diamond)는 반도체의 전기적 특성도 가지고 있다.

Fujii와 그의 팀은 이 참신한 다이아몬드 모양이 일부 실제 응용 분야에 적합 할 수 있다고 생각한다. 절삭 재료 또는 다이아몬드 스탬프로 사용할 수 있을 뿐만 아니라 다공성 때문에 가스의 안정적인 고체 저장 장치로도 사용될 수 있다. 또한 광전자 및 화학 분야에서 유망한 응용 분야를 볼 수 있다.

펜타 다이아몬드는 여전히 ​​컴퓨터상으로만 존재한다.
과학자들이 설명하듯이 제조는 비교적 간단하다.
통상적인 공중합체 합성 방법을 사용하여 탄화수소로부터 제조될 수 있기 때문이다.
(Physical Review Letters, 2020; doi: 10.1103/PhysRevLett.125.016001)

출처: University of Tsukuba, American Physical Society

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