다이아몬드는 지구에 매우 흔한 원소인 탄소로 이뤄졌습니다. 탄소가 매우 높은 온도와 압력을 받을 때 만들어집니다. 탄소는 연필심에 사용되는 흑연과 동일한 물질이기도 한데요. 온도와 압력에 따라서 다이아몬드가 되기도, 흑연이 되기도 합니다. 다이아몬드가 자연적으로 만들어지려면 온도는 약 약 1,204℃, 압력은 약 50억Pa로 유지돼야 합니다. 맨틀에서 만들어진 다이아몬드는 맨틀까지 이어진 깊은 마그마가 지표로 솟아오르거나, 조산 운동처럼 거대한 암석이 융기하는 과정을 통해 지표로 올라오게 됩니다. 흑연으로 분해되지 않기 위해서는 지표로 매우 빠르게 올라와야 합니다.  또한 다이아몬드는 경도가 매우 높은 광물인데요. 심지어 지하에서 빠르게 올라오기 때문에 다이아몬드는 맨틀의 작은 물질들을 지표로 운반하는 택배상자라고 할 수 있습니다. 이는 지구의 깊은 곳을 연구하는 지질학자들에게 매우 유용한 정보가 되곤 합니다. 

이렇게 자연에서 다이아몬드는 수 십 억년에 걸쳐 지구 깊은 곳에서 형성되고 운반됩니다. 고온고압의 환경이 필요하기 때문이죠. 그런데 <Small>에 게재된 연구에 따르면 국제연구팀은 상온에서 단 몇 분만에 다이아몬드를 만들어 낼 수 있다고 하는데요. 다이아몬드에 열을 가하지 않고 실험실에서 성공적으로 만들어진 건 이번이 처음이라고 합니다.

두 가지 형태의 다이아몬드

탄소 원자는 부드러운 흑연과 단단하고 투명한 다이아몬드를 포함해 여러 다른 물질을 형성하기 위해 여러 가지 방법으로 결합될 수 있습니다. 흑연과 같은 결합을 가진 탄소의 형태는 얇은 막으로 이뤄진 그래핀(graphene)이 대표적입니다. 그런데, 다이아몬드처럼 결합된 탄소 기반의 물질역시 다이아몬드 외에 더 존재한다고 하는데요. 

일반적인 다이아몬드는 원자들이 입방결정(cubic)구조로 배열돼 있습니다. 하지만 이러한 탄소 원자들이 입방결정구조 외에 육방결정(hexagonal crystal)구조도 가질 수 있다고 합니다. 육방결정 구조를 지닌 이 다이아몬드는 론스달라이트(Lonsdaleite)라고 하는데요. 아일랜드의 결정학자이자 영국 학술원 선임연구원인 케슬린 론스데일(Kathleen Lonsdale)의 이름을 따서 명명됐다고 합니다. 케슬린 로스데일은 X-ray를 이용해 타놋의 구조를 연구한 학자입니다. 

<Physical Review Letter>에 게재된 연구에 따르면 론스달라이트는 일반 다이아몬드보다 58%나 더 단단한 것으로 예측됐는데요. 이 다이아몬드는 이미 지구상에서 가장 단단하게, 자연적으로 발생하는 물질로 여겨지고 있습니다. 론스달라이트는 아리조나의 디아블로 캐니언 운석 분화구에서 자연상태로는 처음 발견됐습니다. 그 후 연구실에서 흑연에 고온의 열과 엄청난 압력을 가해 극소량의 물질을 합성한 바 있습니다. 

다이아몬드는 어떻게 만들어질까

호주 로열 멜버른 공과대학(RMIT University)의 물리학과 교수인 Dougal McCulloch과 호주국립대학교( Australian National University) 물리학과 교수인 Jodie Bradby가 <The Conversation>에 기고한 바에 따르면 다이아몬드는 1954년이전부터 실험실에서 합성돼 왔습니다. 이후 제너럴 일렉트리사(General Electric)의 Tracy Hall은 지구 지각 내부의 자연 조건을 모방한 과정을 이용해 인공 다이아몬드를 만들어 냈고, 금속 촉매를 첨가해 성장 속도를 가속화 시켰습니다. 그 결과 자연에서 발견되는 것과 비슷한 고온고압의 다이아몬드가 만들어 졌습니다. 하지만 자연에서 발견되는 것보다는 작고 덜 완벽했습니다. 그럼에도 인공 다이아몬드는 오늘날 산업용으로 주로 사용되고 있습니다. 

다이아몬드는 화학 가스 공정을 통해서도 만들 수 있다고 하는데요. 이 공정은 작은 다이아몬드를 ‘씨앗’으로 사용해 더 큰 다이아몬드로 성장시킵니다. 약 800℃의 온도가 요구되는데, 성장 속도가 꽤 느립니다. 반면 이 다이아몬드는 크게 자랄 수도 있고 상대적으로 결함도 없다고 합니다. 

자연적으로 만들어지는 다이아몬드 역시 지구 내부에서 뿐만 아니라 다른 방법을 통해 만들어지기도 합니다. 바로 격력한 운석 충돌이나 혹은 태양계 안에서 발생하는 고속의 소행성 충돌 같은 과정을 통해서인데요. 이렇게 만들어진 다이아몬드를 두고 일부 과학자들은 '외계 다이아몬드(extraterrestrial diamonds)'라 부릅니다. 

과학자들은 충돌이 어떻게 외계 다이아몬드를 형성하는지 정확히 이해하려고 노력해왔습니다. 그 결과 높은 온도와 압력 외에도 ‘전단력(shear force)’이 이러한 다이아몬드를 형성하는데 중요한 역할을 할 수 있다는 증거가 나왔다고 합니다. 

전단력에 의해 충격을 받은 물체는 상단에서 한 방향으로, 하단에서는 그 반대 방향으로 밀리게 됩니다. 예를 들어 카드 한벌을 밀게 되면, 카드 맨 위은 왼쪽으로 밀리는 반면 맨 아래 부분은 오른쪽으로 밀리는 밀리는 듯한 모습을 볼 수 있을 겁니다. 이렇게 되면 카드는 미끄러지면서 펼쳐질 수 밖에 없게 됩니다. 그래서 전단력은 미끄러지는 힘이라고도 볼 수 있죠. 

실온에서 다이아몬드 만들기

실온에서 다이아몬드를 만들기 위해 연구팀은 흑연과 같은 탄소 기반의 작은 조각을 고압과 극도의 전단력을 가해 다이아몬드를 형성하는 실험을 고안해냈습니다. 또한 이전에 수행됐던 대부분의 연구들과 달리 이 실험에서는 압축시킨 탄소에 열을 가하지 않았습니다. 고해상도 이미지를 포착할 수 있는 전자 현미경을 사용해 관찰한 결과 샘플은 일반 다이아몬드와 론스달라이트가 모두 포함돼 있는 것을 발견했습니다. 이는 이전에 볼 수 없던 배열로 인간의 머리카락보다 200배 작은 얇은 다이아몬가 론스달라이트에 둘러싸여 있었습니다. 

구조의 배열은 다른 물질에서 관측된 전단밴딩(shear banding)을 연상시키는데, 좁은 영역에서 국소화된 강한 압력을 경험한 듯 보입니다. 이는 전단력이 상온에서 다이아몬드를 형성하는데 핵심적인 역할을 할 수 있다는 점을 시사합니다. 상온에서 다이아몬드를 만들어낼 수 있는 능력은 단 몇 분 만에 대량으로 제조가 가능할 수 있어보입니다. 

특히 다이아몬드보다 더 단단한 론스달라이트를 이런식으로 만들 수 있다는 점은 극도로 단단한 물질이 필요한 산업계에는 반가운 소식입니다. 예를 들어 다이아몬드는 드릴에 끼우는 날을 코팅될 때 사용되는데 론스달라이트를 이용하면 사용기간을 더 늘려줄 수 있을 겁니다. 

<The Conversation>에서 Dougal McCulloch과 Jodie Bradby 교수는 이제 다음 과제는 다이아몬드를 형성하는 데 필요한 압력을 낮추는 것이라고 말합니다. 이번 연구에서 다이아몬드가 형성된 것으로 관측된 상온에서의 가장 낮은 압력은 약 80기가파스칼이었다고 합니다. 이는 발레 슈즈 끝에 무려 640마리의 아프리카 코끼리가 올라간 것과 맞먹는다고 합니다. 만약 다이아몬드와 론스달라이트 모두 낮은 압력에서 만들어질 수 있다면, 더 많이, 빠르게 그리고 저렴하게 생산이 가능해질 전망입니다. 

##참고자료##

• McCulloch, Dougal G., et al. "Investigation of Room Temperature Formation of the Ultra‐Hard Nanocarbons Diamond and Lonsdaleite." Small (2020): 2004695.
• Pan, Zicheng, et al. "Harder than diamond: superior indentation strength of wurtzite BN and lonsdaleite." Physical Review Letters 102.5 (2009): 055503.

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