다이아몬드는 오랫동안 자연에서 가장 단단한 물질로 여겨져 왔지만, 이제 그 지위가 바뀔지도 모릅니다. 중국 연구팀은 최근 네이처(Nature)지에 획기적인 연구를 발표하여, 이론적으로 다이아몬드보다 60% 더 단단한 탄소 소재인 벌크 육각형 다이아몬드(HD)를 합성하는 데 성공했습니다. 이번 성과는 기존의 통념에 도전할 뿐만 아니라, 초경 소재 개발 및 첨단 기술 응용 분야의 새로운 지평을 열 잠재력을 가지고 있습니다.
목차
다이아몬드와 육각형 다이아몬드의 차이점: 입방 구조 vs. 육각형 구조
전통적인 다이아몬드는 입방 격자 구조를 가지고 있으며, 각 탄소 원자는 인접한 네 개의 탄소 원자와 안정적인 sp³ 공유 결합을 형성하여 강력한 사면체 네트워크를 형성합니다. 이러한 배열은 다이아몬드에 탁월한 경도와 우수한 물리적 특성을 부여합니다.
그러나 60년 전, 과학자들은 입방형 다이아몬드와는 달리 육각형 격자 배열을 가진 또 다른 형태의 탄소 구조인 육각형 다이아몬드를 예측했습니다. 이론적으로 이 구조는 우수한 기계적 특성을 가지고 있지만, 순수한 상태로 합성하는 것은 항상 어려웠습니다.
자연적 HD: 우주에서의 증거
과학자들은 자연에서 운석 충돌 지점에서 미량의 육각형 다이아몬드를 발견했습니다. 예를 들어, 미국 애리조나주 디아블로 분화구에서 자연적으로 발생하는 다이아몬드 형태인 론스데일라이트가 발견되었습니다. 이러한 광물은 운석이 흑연에 충돌할 때 생성되는 고온 고압 환경에서 종종 형성됩니다.
그러나 이러한 천연 시료는 흑연이나 입방 다이아몬드와 같은 다른 탄소상과 섞여 있는 경우가 많고, 입자가 매우 작고 순도가 매우 낮아 재료 과학의 실제 분야에 사용하기에 적합하지 않습니다.
연구 혁신: 순수 벌크 육각형 다이아몬드 합성 성공
베이징 고압 과학 연구 센터 연구팀은 8년간의 반복 실험 끝에 마침내 순도 100%에 가까운 HD 결정 블록을 합성했습니다. 직경 1mm, 두께 70마이크론으로, 현재까지 가장 크고 순수한 실험 샘플입니다.
연구진은 고품질 단결정 흑연을 원료로 사용하여 특수 다이아몬드 앤빌 셀(DAC)과 다중 앤빌 프레스에서 매우 균일한 압력과 고온을 가하여 운석 충돌 환경을 시뮬레이션했습니다. 또한 싱크로트론 방사선과 전자 현미경을 사용하여 구조를 확인했습니다. 이는 크고 완전한 구조를 가진 HD 결정을 실내에서 성공적으로 생산한 최초의 사례입니다.
분자 구조의 비밀: 더 강한 층간 결합
라만 분광법과 적외선 분광법과 같은 첨단 기술을 사용하여 연구팀은 HD 구조의 모든 탄소 결합이 sp³ σ 결합이며, 흑연의 특징인 sp² π 결합은 존재하지 않는다는 것을 발견했습니다. 특히 주목할 점은 HD 구조의 층간 결합 중 한 유형이 다른 세 유형보다 현저히 짧다는 것입니다. 이는 층간 결합력이 더 강함을 나타내며, 이로 인해 HD의 높은 경도가 형성됩니다.
비커스 경도 시험에서 HD는 을 나타냈는데, 이는 기존 다이아몬드의 소성 변형 저항성인 1보다 상당히 높은 수치입니다. 이는 HD의 초경도가 이론적인 경도일 뿐만 아니라 실험을 통해서도 확인이 가능하다는 것을 보여줍니다.
HD의 잠재적 응용 분야: 드릴링 도구부터 양자 기술까지
앞으로 HD 소재를 더욱 두껍고 대량으로 생산할 수 있다면, 그 잠재적 응용 분야는 무궁무진해질 것입니다. 첫째, 지열 시추, 심부 광물 채굴, 그리고 내마모성이 뛰어난 기계 부품 등에서 초경 공구 소재로 활용될 수 있습니다.
또한, 높은 기계적 안정성과 완벽한 sp³ 구조 덕분에 HD는 양자 컴퓨팅 장치, MEMS(미세 전기 기계 시스템), 고주파 전자 부품과 같은 최첨단 기술에서도 핵심적인 역할을 할 수 있습니다.
그것은 단순한 다이아몬드 이상입니다: 과학과 미래의 소재에 있어서 중요한 이정표
다이아몬드라는 이름은 “정복할 수 없다”는 뜻의 그리스어 “아다마스(adámas)”에서 유래했습니다. 육각형 다이아몬드의 발견은 “가장 단단한 물질”에 대한 우리의 이해를 새롭게 정의할 것입니다. 이는 재료 과학의 이정표일 뿐만 아니라, 자연의 한계에 도전하는 인류의 능력에 또 다른 돌파구를 상징합니다.
공정 조건을 더욱 최적화하고, 전구체 순도를 높이고, 압력과 온도와 같은 매개변수를 조절함으로써, 다이아몬드보다 단단한 탄소 소재를 미래에 대량 생산할 수 있을 것으로 기대되며, 이를 통해 첨단 산업과 양자 시대를 위한 더욱 견고한 토대를 마련할 수 있을 것으로 기대됩니다.
참고문헌:
- 자연(2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09343-x
- 다이아몬드보다 60% 더 단단한 육각형 다이아몬드 대량 합성 성공
- 과학자들은 이론적으로 예측된 육각형 결정 구조를 가진 슈퍼다이아몬드를 설계했습니다.
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