다이아몬드의 새로운 용도 (2) "현대기술이 만든 합성 다이아몬드"
- Business News / 문광주 기자 / 2021-11-21 11:01:01
2'20" 읽기
- 대기 중에서 천연 다이아몬드는 약 섭씨 800도에서 산화되기 시작한다.
- 드릴링 또는 절단 시 열이 발생해 다이아몬드 형태를 빠르게 분해할 수 있다.
- 나노 트윈 다이아몬드.1천500~2천도 온도와 8~25GPa 압력으로 특수 용광로에서 가열
- 펜타 다이아몬드, 높은 강도에도 불구하고 상대적으로 가볍고 밀도는 흑연에 해당
원석은 이러한 상황에 처할 가능성이 거의 없지만 산업적으로 사용되는 다이아몬드의 경우에는 다르다. 드릴링 또는 절단 시 열이 발생해 다이아몬드 형태를 빠르게 분해할 수 있다. 따라서 과학자들은 이러한 산업 분야에 사용되는 다이아몬드를 더욱 강하고 내구성 있게 만드는 방법을 찾고 있다.
2.1 열에 강한 나노 트윈
Huang과 팀이 몇 년 전에 개발한 특별한 형태의 합성 다이아몬드는 이러한 가능성을 열러줄 수 있다. 이 "나노 트윈" 다이아몬드의 출발점은 양파와 같은 층상 탄소 구체로, 1,580~2,000도의 온도와 8~25기가파스칼의 압력으로 특수 용광로에서 가열된다. 이러한 극한 조건에서 격자가 수많은 평행 경계면을 갖는 다이아몬드가 생성된다. 이미지와 미러 이미지와 같은 작은 하위 단위의 결정 구조는 서로 반대다.
“격자의 이러한 경계면은 종종 결정의 안정성을 감소시키지만, 테스트 결과에서 알 수 있듯이 Nanotwin 다이아몬드의 경우에는 분명히 그렇지 않다"고 황과 그의 동료들이 보고했다. 그리고 Nanotwin 다이아몬드는 열 테스트에서도 입증되었다. 980도에서만 산화되기 시작했다.
연구원들에 따르면, 그들의 나노 트윈 결정 방법은 다이아몬드 및 기타 초경질 재료의 경도, 파괴 강도 및 열 안정성을 더욱 최적화하는 효과적인 방법이 될 수 있다.
2.2 펜타 다이아몬드
그러나 일본 연구원들이 2020년에 발견한 바와 같이 다이아몬드에 더 큰 경도를 부여하는 또 다른 방법이 있다. 그들은 탄소 원자가 어떻게 행동하는지 조사하기 위해 컴퓨터 모델을 사용했으며 외부 전자의 결합 형태가 다르다. 일부 원자에는 4개의 다이아몬드형 sp3 혼성 궤도가 있고 나머지 탄소에는 sp2 혼성화된 전자가 있다. 예를 들어 탄소 이중 결합에서 발생하는 이 상태에서 각 탄소 원자는 각각 120도 오프셋(off set)된 3개의 결합만 형성한다.
흥미로운 점은 두 가지 형태의 탄소를 혼합하면 탄소 원자가 3개와 4개의 결합 파트너를 교대로 갖는 3차원 격자 구조가 생성된다는 것이다. 결과는 엮인 탄소 오각형 그리드인 펜타 다이아몬드이다.
테스트 결과 이 다이아몬드 구조는 이론적으로 거의 1,160기가파사칼의 압력과 중력을 견딜 수 있는 것으로 나타났다. Tsukuba 대학의 Yasumaru Fujii는 "이것은 다이아몬드의 강도를 능가한다"고 말했다.
동시에 펜타 다이아몬드는 높은 강도에도 불구하고 상대적으로 가볍다. 밀도는 흑연에 해당한다. 연구원들은 이것을 건물의 지지 스트럿과 같이 서로 다른 크기의 서로 엮인 고리가 추가적인 안정성을 제공하는 결정 격자의 특수 구조 때문이라고 생각한다.
Fujii와 그의 팀의 의견에 따르면 이러한 펜타 다이아몬드는 절단 재료나 다이아몬드 펀치로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 높은 다공성 때문에 가스를 위한 안정적인 고체 저장 매체로도 사용될 수 있다. 그러나 이 이국적인 형태의 다이아몬드는 여전히 컴퓨터에만 존재한다. 과연 얼마나 잘 만들어질 수 있을지 지켜볼 일이다. (계속)
- 대기 중에서 천연 다이아몬드는 약 섭씨 800도에서 산화되기 시작한다.
- 드릴링 또는 절단 시 열이 발생해 다이아몬드 형태를 빠르게 분해할 수 있다.
- 나노 트윈 다이아몬드.1천500~2천도 온도와 8~25GPa 압력으로 특수 용광로에서 가열
- 펜타 다이아몬드, 높은 강도에도 불구하고 상대적으로 가볍고 밀도는 흑연에 해당
2. 현대 기술이 만든 최근의 합성 다이아몬드
다이아몬드는 불멸이라고 말하지만 결코 파괴되지 않는 것은 아니다.
산소 공급으로 가열되면 보석은 다른 탄소 구조처럼 행동한다. "대기 중에서 천연 다이아몬드는 약 섭씨 800도에서 산화되기 시작한다"고 중국 Yanshan 대학의 Quan Huang이 설명했다.
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| ▲ 다이아몬드는 산소와 열에 노출되면 화상을 입을 수 있다. © cooperr007 / 게티 이미지 |
원석은 이러한 상황에 처할 가능성이 거의 없지만 산업적으로 사용되는 다이아몬드의 경우에는 다르다. 드릴링 또는 절단 시 열이 발생해 다이아몬드 형태를 빠르게 분해할 수 있다. 따라서 과학자들은 이러한 산업 분야에 사용되는 다이아몬드를 더욱 강하고 내구성 있게 만드는 방법을 찾고 있다.
2.1 열에 강한 나노 트윈
Huang과 팀이 몇 년 전에 개발한 특별한 형태의 합성 다이아몬드는 이러한 가능성을 열러줄 수 있다. 이 "나노 트윈" 다이아몬드의 출발점은 양파와 같은 층상 탄소 구체로, 1,580~2,000도의 온도와 8~25기가파스칼의 압력으로 특수 용광로에서 가열된다. 이러한 극한 조건에서 격자가 수많은 평행 경계면을 갖는 다이아몬드가 생성된다. 이미지와 미러 이미지와 같은 작은 하위 단위의 결정 구조는 서로 반대다.
“격자의 이러한 경계면은 종종 결정의 안정성을 감소시키지만, 테스트 결과에서 알 수 있듯이 Nanotwin 다이아몬드의 경우에는 분명히 그렇지 않다"고 황과 그의 동료들이 보고했다. 그리고 Nanotwin 다이아몬드는 열 테스트에서도 입증되었다. 980도에서만 산화되기 시작했다.
연구원들에 따르면, 그들의 나노 트윈 결정 방법은 다이아몬드 및 기타 초경질 재료의 경도, 파괴 강도 및 열 안정성을 더욱 최적화하는 효과적인 방법이 될 수 있다.
2.2 펜타 다이아몬드
그러나 일본 연구원들이 2020년에 발견한 바와 같이 다이아몬드에 더 큰 경도를 부여하는 또 다른 방법이 있다. 그들은 탄소 원자가 어떻게 행동하는지 조사하기 위해 컴퓨터 모델을 사용했으며 외부 전자의 결합 형태가 다르다. 일부 원자에는 4개의 다이아몬드형 sp3 혼성 궤도가 있고 나머지 탄소에는 sp2 혼성화된 전자가 있다. 예를 들어 탄소 이중 결합에서 발생하는 이 상태에서 각 탄소 원자는 각각 120도 오프셋(off set)된 3개의 결합만 형성한다.
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| ▲ 펜타다이아몬드의 구조: 흰색 요소는 4개의 결합이 있는 탄소 원자를 나타내고, 검은색 부분은 3개의 결합 파트너를 가진 원자를 나타낸다. © Y. Fujii / University of Tsukuba |
흥미로운 점은 두 가지 형태의 탄소를 혼합하면 탄소 원자가 3개와 4개의 결합 파트너를 교대로 갖는 3차원 격자 구조가 생성된다는 것이다. 결과는 엮인 탄소 오각형 그리드인 펜타 다이아몬드이다.
테스트 결과 이 다이아몬드 구조는 이론적으로 거의 1,160기가파사칼의 압력과 중력을 견딜 수 있는 것으로 나타났다. Tsukuba 대학의 Yasumaru Fujii는 "이것은 다이아몬드의 강도를 능가한다"고 말했다.
동시에 펜타 다이아몬드는 높은 강도에도 불구하고 상대적으로 가볍다. 밀도는 흑연에 해당한다. 연구원들은 이것을 건물의 지지 스트럿과 같이 서로 다른 크기의 서로 엮인 고리가 추가적인 안정성을 제공하는 결정 격자의 특수 구조 때문이라고 생각한다.
Fujii와 그의 팀의 의견에 따르면 이러한 펜타 다이아몬드는 절단 재료나 다이아몬드 펀치로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 높은 다공성 때문에 가스를 위한 안정적인 고체 저장 매체로도 사용될 수 있다. 그러나 이 이국적인 형태의 다이아몬드는 여전히 컴퓨터에만 존재한다. 과연 얼마나 잘 만들어질 수 있을지 지켜볼 일이다. (계속)
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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