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- 단결정 바늘, 최대 9%까지 구부러져, 압력 해제되면 손상되지 않고 복원
- 굽힘 테스트와 유사하게 결정 격자의 확장도 가역적
- 굽힘 및 신축 실험 동안 탄성 변형이 다이아몬드의 전기 전도도를 변화시켜
- 양자 기술 및 포토닉스, 광검출기 또는 생물 의학 이미징에 사용될 수 있다.

3.  나노 다이아몬드; 놀라울 정도의 탄성과 전도성

다이아몬드에서 거의 누구도 기대할 수 없는 품질이 하나 있다면 바로 탄력성이다.
탐나는 보석은 경도와 취성으로 유명하기 때문에 격자 특성으로 인해 주목할만한 탄력성은 거의 불가능해 보인다. 이것은 또한 보석이 정상적인 상황에서 전기를 전도하지 않도록 한다. 이는 절연체이다. 그러나 최근 연구 결과는 이와 다를 수 있다.

유연한 다이아몬드 바늘

이것은 2018년에 작은 바늘 모양의 다이아몬드에 대한 놀라운 관찰로 입증됐다.
홍콩 시립대학의 루 양(Yang Lu)이 이끄는 팀은 길이가 300nm(나노미터)에 불과한 다이아몬드 바늘을 만들었다.  

▲ 구부러진 나노다이아몬드 바늘의 전자현미경 이미지. © Amit Banerjee / .Kyoto University et al.

이유는 이 나노 규모의 다이아몬드가 여전히 거시적인 보석만큼 강하고 뻣뻣한지 알아보고 싶었기 때문이다. 실험에서 연구원들은 미세 결정 바늘에 점점 증가하는 압력을 조심스럽게 가하여 주사 전자 현미경으로 관찰했다.

놀랍게도 다이아몬드 바늘은 압력에 탄력적으로 반응했다.
MIT(Massachusetts Institute of Technology)의 다니엘 베르누이(Daniel Bernoulli)는 "나노크기에서 다이아몬드가 견딜 수 있는 탄성 변형을 확인하는 것은 매우 놀라운 일이었다"고 말했다. 단결정 바늘 기둥은 최대 9%까지 구부러질 수 있으며 압력이 해제되면 손상되지 않고 원래 모양으로 되돌아간다. 반면에 매크로 크기의 다이아몬드는 손상 없이는 1%도 구부릴 수 없다.

유연한 플레이트

그뿐만 아니라, 조금 후에 같은 연구팀이 나노 크기의 다이아몬드가 유연할 뿐만 아니라 가단성도 있음을 보여주었다. 테스트를 위해 과학자들은 먼저 약 1μm(마이크로미터) 길이의 얇은 아령 모양의 다이아몬드 판을 생산했다. 중앙의 좁은 지점에서 이 원반의 너비는 약 300μm에 불과했다. 전자현미경 하에서 이 다이아몬드 다리는 이제 양쪽 끝에서 고정되었고 점차적으로 점점 더 당겨졌다.

사실, 나노 크기의 다이아몬드는 여기에서도 놀라울 정도로 탄성이 있는 것으로 밝혀졌다.
결정의 판은 전체 길이에 걸쳐 고르게 확장되어 길이가 약 7.5% 증가했다. "이처럼 매우 크고 균일한 탄성이 다이아몬드를 당기는 실험에서 입증된 것은 이번이 처음이다"고 Lu는 말했다. 굽힘 테스트와 유사하게 결정 격자의 확장도 가역적이다. 인장 응력이 감소하면 다이아몬드 플레이트가 다시 수축한다.

▲ 나노 스케일로 다이아몬드 혈소판을 늘리는 실험. © Dang Chaoqun / City University of Hong Kong

다이아몬드의 전자 흐름

나노 다이아몬드의 탄성 변형성은 또 다른 중요한 결과를 낳는다. 이것은 보석의 전자기적 거동을 변화시킨다. 가까운 공유 결합이 탄소의 모든 원자가 전자를 보유하기 때문에 천연 다이아몬드의 전기 전도도는 거의 0이다. 이것은 결정 격자를 통해 이동하고 전류를 전도할 수 있는 자유 전자가 없음을 의미한다.

물리적 측면에서 다이아몬드의 경우 가전자대(valence band, 價電子帶)에서 전도대까지의 거리는 5.6전자볼트(eV)이다. 이는 매우 넓은 밴드 갭을 가지므로 절연체이다.

다이아몬드 격자의 전자를 동원하기 위해서는 상대적으로 많은 에너지가 필요하다.
적어도 지금까지는 그렇게 생각했다. 그러나 나노 다이아몬드를 이용한 굽힘 및 신축 실험 동안 탄성 변형이 다이아몬드의 전기 전도도를 변화시키는 것으로 밝혀졌다. 이는 결정 격자의 원자를 서로에 대해 약간 이동시켜 밴드 갭을 변화시킨다. 바늘이 구부러질수록 다이아몬드 격자의 전자가 더 많이 이동한다.

절연체에서 반도체, 도체로

즉, 구부리기만 하면 다이아몬드는 격자가 얼마나 변형되는지에 따라 비전도성 절연체에서 반도체 또는 전도체로 변환될 수 있다. 이것은 탄소 보석에 대한 완전히 새로운 응용 프로그램을 가능하게 한다. 예를 들어, 양자 기술 및 포토닉스, 광검출기 또는 생물 의학 이미징에 사용될 수 있다.

MIT(Massachusetts Institute of Technology)의 Ju Li는 "굴곡에 따라 다이아몬드에 일반적인 반도체 실리콘 또는 LED에 사용되는 질화갈륨의 밴드 갭이 부여될 수 있다"고 설명했다.“적외선에서 자외선까지 전체 스펙트럼을 커버하는 적외선 감지기 또는 광센서로 전환할 수도 있다.”

(계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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