초강경 슈퍼 다이아몬드 합성 성공, 천연 다이아몬드보다 40% 더 단단해 산업 응용 기대

중국 지린대학교와 중산대학교의 연구팀이 최근 실험실에서 초고경도이자 고품질의 ‘슈퍼 다이아몬드’를 합성하는 데 성공했다. 이 다이아몬드는 천연 다이아몬드보다 약 40% 더 높은 강도를 가지며, 우수한 열안정성도 갖추고 있다. 이번 획기적인 연구 성과는 이달 초 국제 권위 학술지 《네이처 머티리얼스》(Nature Materials)에 게재되었다.

육방 다이아몬드: 우주에서 얻은 영감

전통적인 다이아몬드는 대부분 입방 결정 구조를 가지고 있지만, 이번에 연구진이 합성한 것은 육방 격자 구조를 지닌 ‘육방 다이아몬드’(또는 론스데일라이트, Lonsdaleite)이다. 이러한 구조의 다이아몬드는 자연계에서 극히 희귀하다. 최초 발견은 1967년 미국 애리조나주에 떨어진 운석, 즉 배링어 운석공을 형성한 운석 내에서 이루어졌다. 당시 과학자들은 운석 충돌로 인해 발생한 초고압과 고온이 흑연을 육각형 구조로 전환시켜, 흑연의 평면적 육각 결정 구조를 유지한 이 특수한 다이아몬드를 형성한 것으로 추정하였다.

그러나 이러한 천연 육방 다이아몬드는 극히 드물고 크기가 매우 작기 때문에 오랫동안 실질적인 활용이 어려웠습니다. 과거에도 실험실에서 합성하려는 시도가 있었지만, 성공 사례는 극히 드물고 품질도 불안정했습니다.

흑연 전환의 열쇠: 후흑연 상과 극한 조건

중국 연구진의 이번 성공은, 초고압 조건에서 흑연이 ‘후흑연 상’(post-graphite phase)이라 불리는 새로운 구조로 전이된다는 점을 발견한 데에 있습니다. 이 상태에서 가열과 고압 압축 처리를 진행하면, 흑연은 결정성이 뛰어나고 거의 순수한 육방 다이아몬드로 전환됩니다.

실험 결과, 이 인공 합성된 육방 다이아몬드는 최대 155 GPa의 압력을 견딜 수 있으며, 열 안정성은 섭씨 1100도에 달해 천연 다이아몬드(약 100 GPa 및 700도)보다 훨씬 우수합니다. 또한 그 물리적 특성은 기존 100나노미터 이하의 나노 다이아몬드보다 현저히 뛰어납니다.

산업적 응용과 미래 전망

연구팀은 이 초경도 소재가 고강도 가공, 정밀 천공, 절단 공구 등 다양한 분야에서 매우 높은 응용 가능성을 지닌다고 밝혔습니다. 또한 미국의 연구 역시 육방 다이아몬드가 입방 다이아몬드보다 더 단단할 수 있음을 뒷받침하고 있어, 고급 제조업에서의 가치가 더욱 높아질 것으로 기대됩니다.

산업적 용도 외에도, 일부 과학자들은 육방 다이아몬드가 향후 보석 시장에서 새로운 선택지가 될 수 있다고 언급했습니다. 예를 들어 약혼반지와 같은 고급 액세서리에 적용될 수 있으며, 그 독특한 구조와 희소성으로 인해 전통적인 다이아몬드를 대체할 수 있을 것입니다.

이번 돌파는 흑연이 다이아몬드로 전환되는 과정을 이해하는 데 새로운 이론적 틀을 제공했을 뿐만 아니라, 미래의 신형 초경도 소재 개발을 위한 실험적 근거와 기술적 경로도 제시했습니다.

참고 문헌

• 과학자들, 천연 다이아몬드보다 강도 40% 높은 초경도 다이아몬드를 개발했다.
• Scientists make ‘super diamond’ 40% harder than real thing

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