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- 다이아몬드의 형성;상부 맨틀의 150~200km 깊이, 900~1,400도와 5~6GPa(기가파스칼) 압력
- 1기압의 압력에서도 다이아몬드를 성장시킬 수 있는 방법 발견
- 고품질 다이아몬드, 니켈을 코발트로 대체하거나 갈륨을 갈륨-인듐 혼합물로 대체해 성장
- 실리콘 결함이 있는 합성 다이아몬드는 양자 컴퓨터와 자기 센서에 사용될 수 있어

정상압에서 생산된 최초의 다이아몬드
액체 금속조(metal bath)를 사용하면 고압 없이도 다이아몬드 결정이 성장할 수 있다.

고압 대신 금속조:
화학자들이 고압 대신 정상 압력에서 다이아몬드를 성장시키는 데 처음으로 성공했다. 이는 정말 새로운 일이다. 이를 위해서는 흑연 도가니에서 메탄과 혼합되는 특정 금속의 뜨거운 액체 혼합물이 필요하다. 순수한 다이아몬드 결정의 얇은 층이 금속조 바닥에 형성된다. 그들의 방법은 다이아몬드 생산에 완전히 새로운 가능성을 열어준다. 

▲ 이 작은 다이아몬드 결정은 정상적인 압력 하에서 생성되었다. 이를 위해서는 뜨거운 금속 욕조의 올바른 혼합이 중요하다. © 기초과학연구원

다이아몬드는 일반적으로 상부 맨틀의 150~200km 깊이에서 900~1,400도의 온도와 5~6GPa(기가파스칼)의 압력에서 형성된다. 컬리넌(Cullinan)이나 코이누르(Koh-i-Noor)와 같은 가장 크고 가장 가치 있는 다이아몬드는 훨씬 더 깊은 곳에서 형성됐다. 이 원석에 금속 함유물이 있다는 사실은 이 원석이 뜨거운 액체 금속 기포 속에서 성장했음을 암시한다.

그러나 이들 모두에는 한 가지 공통점이 있다. 천연 다이아몬드와 합성으로 생산된 다이아몬드 결정 모두 형성되기 위해 높은 압력이 필요하다는 것이다. 이전에는 그렇게 생각됐다.

▲ 천연 다이아몬드는 형성되기 위해 열과 높은 압력이 필요하다. © RHJ/게티 이미지

금속 혼합물에 따라 다르다.

이 가정은 이제 한국 울산 기초연구소의 얀공(Yan Gong)이 이끄는 화학자들의 실험에 의해 반박되었다. 그들은 대부분의 합성 다이아몬드에 사용되는 방법이 고압 없이도 작동할 수 있는지 알고 싶었다. “최근 연구에 따르면 갈륨, 주석, 납, 인듐 또는 갈륨에 용해된 니켈, 팔라듐 및 백금을 포함한 특정 금속 및 합금이 메탄을 수소 및 고체 탄소로 변환할 수 있는 것으로 나타났다.

특정 금속 혼합물은 메탄의 C-H 결합 분리를 촉진하여 원소 탄소를 방출한다. 그러나 문제는 압력이 너무 낮으면 이전 접근 방식에서 다이아몬드 대신 흑연이 형성된다는 것이다. 따라서 Gong과 그의 팀은 고압 없이 작동할 수 있도록 금속 혼합물과 테스트 조건을 최적화할 수 있는지 조사했다. 이를 위해 그들은 특수 진공 챔버를 구축하고 수백 가지 매개변수 조합을 테스트했다.

테스트 시스템의 핵심 구성 요소는 다양한 금속 합금, 흑연 도가니, 메탄 및 수소 공급이었다. 도가니는 전압을 가함으로써 다양한 온도로 가열될 수 있다.

고압이 없는 순수한 다이아몬드 결정체

"어느 날 흑연 도가니를 식히고 경화된 금속을 제거하던 중 밑면에 무지개 빛이 반짝이는 것을 발견했다"며 "우리는 이러한 무지개 색상이 다이아몬드에 의해 생성된다는 것을 발견했다. 실험이 정상 압력에서 수행되었는데 금속조와 흑연 사이의 경계면에서 흑연 혼합물이 전혀 없는 얇고 광범위한 다결정질 순수 다이아몬드 층이 형성되었다"고 말했다.

다이아몬드 결정을 위한 최적의 제조법은 갈륨 77.75%, 니켈 11%, 철 11%, 실리콘 0.25%로 구성된 섭씨 1,175도 정도의 금속 욕조에 메탄과 수소의 혼합물이 도입되는 것으로 밝혀졌다. 약 10분 후에는 금속과 흑연 도가니 사이의 경계면에서 증가된 탄소 원자 농도가 감지될 수 있으며, 팀이 발견한 대로 약 15분 후에 첫 번째 다이아몬드 결정이 그곳에서 성장했다.

▲ 이 투과 전자 현미경 이미지는 정상 압력에서 성장한 측면의 다이아몬드 결정과 위에서본 원자 분해능의 다이아몬드 필름을 보여준다. © Institute for Basic Science

공(Gong)과 그의 동료들은 “이렇게 해서 우리는 단 1기압의 압력에서도 다이아몬드를 성장시킬 수 있는 방법을 발견했다”고 말했다. "지금까지는 5~6bar의 압력과 고온에서만 가능했기 때문에 이는 전례 없는 일이다.“

처음에는 원자 덩어리, 그다음에는 결정

화학자들은 금속조의 온도 구배가 다이아몬드 형성에 결정적인 역할을 한다고 의심한다. 즉, 도가니의 중앙이 가장자리보다 더 차갑다. 이는 경계층의 중앙 부분에 탄소 원자를 집중시키며, 여기서 과포화는 결정화로 이어진다. 금속 욕조의 실리콘도 중요하다. 이 원소가 없으면 다이아몬드 형성이 발생하지 않으며 가장 큰 결정은 최적의 실리콘 투여량으로만 형성된다.

추가 분석에 따르면 실리콘은 경계면에서 20~50개의 탄소 원자로 구성된 작은 덩어리의 형성을 촉진하는 것으로 나타났다. 실리콘과의 결합은 덩어리를 안정화시켜 다이아몬드 결정의 추가 성장을 위한 결정화 핵 역할을 할 수 있음을 의미한다.

▲ 금속과 흑연 사이의 경계면에서 작은 탄소 원자 덩어리가 형성되고, 이것이 결정으로 성장한다. © 기초과학연구원

맞춤형 다이아몬드 재배 가능

"이 액체 금속조에서 다이아몬드의 결정화와 성장에 대한 우리의 발견은 매혹적이며 많은 흥미로운 가능성을 제공한다"고 기초 연구소의 선임 저자 Rodney Ruoff는 말했다. 초기 테스트에서는 융점이 낮은 일부 다른 금속도 "번식욕"으로 적합한 것으로 이미 나타났다. “고품질 다이아몬드는 니켈을 코발트로 대체하거나 갈륨을 갈륨-인듐 혼합물로 대체함으로써도 성장할 수 있다”고 Ruoff는 말했다.

또한 흥미로운 점은 상압에서 이 방법을 사용하여 생산된 다이아몬드는 매우 순수할 뿐만 아니라 원자 격자에 소위 실리콘 결함이 포함되어 있다는 것이다. 인접한 공극을 가진 개별 외부 원자가 격자에 통합된다. 이러한 결함은 일부 다이아몬드의 착색을 담당하지만 특별한 전기적 및 양자적 물리적 특성을 부여할 수도 있다.

Gong의 동료인 Meihui Wang은 “예를 들어 실리콘 결함이 있는 합성 다이아몬드는 양자 컴퓨터와 자기 센서에 사용될 수 있다”고 설명했다. 금속조에 추가 요소를 구체적으로 추가하면 특수 용도를 위한 다른 결함도 생성될 수 있다. Ruoff는 “아직 탐구해야 할 흥미로운 세부 사항이 많이 있다”고 말했다.
(Nature, 2024; doi: 10.1038/s41586-024-07339-7)
출처 : 기초과학연구원

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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