초경질 소재의 새 시대
중국 연구진이 전 세계 과학자들이 60여 년간 추구해 온 성과를 이뤄냈다. 순수한 육방정계 다이아몬드를 벌크 형태로 만들어낸 것이다. 학술지 네이처에 발표된 이번 획기적인 연구는 과학자들이 이 희귀한 탄소 동소체의 밀리미터 크기 시료를 합성한 첫 사례다. 이 물질은 여러 세대에 걸쳐 모스 경도계 최고 자리를 지켜온 기존 입방정계 다이아몬드보다 단단할 것으로 이론적으로 예측돼 왔다.
정저우대와 지린대, 고압과학기술첨단연구센터 소속 물리학자들로 구성된 연구팀은 육방정계 다이아몬드가 독립된 물질로 존재하는지를 둘러싼 오랜 과학적 논쟁에 사실상 종지부를 찍었다. 이번 연구는 1967년 애리조나주 운석에서 처음 발견된 론스달라이트가 단순히 결함이 있는 입방정계 다이아몬드가 아니라, 산업 제조와 항공우주 공학, 양자 센싱 기술에 혁신을 가져올 수 있는 고유한 특성을 지닌 진정한 탄소상임을 확인했다.
지구 맨틀 깊은 곳에서 탄소 원자들이 입방정계 배열을 이루며 형성되는 천연 다이아몬드와 달리, 육방정계 다이아몬드는 탄소 원자들이 벌집 모양 격자 구조를 이룬다. 이 배열은 층 사이에 더 짧고 강한 결합을 형성해 절삭 공구와 시추 장비, 고성능 전자기기에 쓰이는 기존 다이아몬드보다 뛰어난 경도와 열 안정성을 제공할 가능성이 있다.
이번 합성은 단순한 실험실의 호기심을 넘어선다. 수십 년 동안 순수한 육방정계 다이아몬드를 시험에 충분한 양만큼 만들지 못해, 이 물질의 이론적 특성은 말 그대로 이론에 머물렀다. 앞선 시도에서는 나노미터 크기의 결정이 나노초에 불과한 시간 동안 생성되거나, 흑연과 입방정계 다이아몬드가 섞여 확실한 특성 분석이 불가능한 혼합물이 만들어지는 데 그쳤다. 중국 연구팀은 지름 100마이크로미터에서 1.8밀리미터에 이르는 결정을 만들어 이 정체를 알기 어려웠던 물질을 종합적으로 역학 시험할 첫 기회를 마련했다.
60년간 이어진 과학적 논쟁
육방정계 다이아몬드의 역사는 1962년 피츠버그 석탄연구센터 연구진이 탄소 원자들이 익숙한 입방정계 구조가 아니라 육방정계 격자로 배열될 수 있다고 처음 제안하면서 시작됐다. 이론상으로는 독특한 결합 구조 덕분에 더 높은 경도를 지닐 것으로 기대됐지만, 그 존재를 입증하기까지는 5년이 더 걸렸고 지구 밖에서 온 물질의 도움이 필요했다.
1967년 애리조나주 배링거 분화구에서 나온 캐니언 디아블로 운석 파편을 조사하던 지질학자들은 새로운 광물을 발견했다고 발표했다. 벤젠의 구조를 규명한 선구적 결정학자인 데임 캐슬린 론스데일의 이름을 따 론스달라이트라고 명명된 이 육방정계 다이아몬드는 약 5만 년 전 운석이 지구에 충돌할 때 발생한 극심한 열과 압력 아래 형성된 것으로 보였다. 이후 인도 아삼주 골파라 운석에서도 비슷한 흔적이 발견됐다.
그러나 축하하기에는 이른 시점이었다. 비판론자들은 이 시료가 진정한 육방정계 다이아몬드가 아니라, 적층 결함이나 무질서한 결함이 있는 입방정계 다이아몬드가 육방정계 대칭을 흉내 낸 것일 뿐이라고 주장했다. 2021년에는 기존에 론스달라이트로 확인된 시료가 모두 잘못 분류된 입방정계 다이아몬드 변종이라는 연구 결과도 발표됐다. 논란이 이어진 이유는 어느 실험실도 논쟁을 확실히 매듭지을 만큼 순수한 육방정계 다이아몬드를 충분한 양으로 만들어내지 못했기 때문이다.
획기적 성과를 위한 설계
중국 연구팀의 성공은 육방정계 다이아몬드의 열역학적 불안정성을 해결하기 위해 고안한 새로운 고압·고온 기술에 달려 있었다. 2테라파스칼까지의 압력에서 sp3 결합 탄소의 가장 안정적인 형태는 입방정계 다이아몬드지만, 연구진은 전구체의 형태와 합성 조건을 세심하게 조절해 육방정계 다이아몬드의 형성을 동역학적으로 제어해야 한다는 점을 알아냈다.
원자층이 가지런히 배열된 합성 탄소 소재인 고배향 열분해 흑연을 사용해, 연구진은 고강도 치밀 산화알루미늄을 이용하는 피스톤-실린더 프레스를 다중 앤빌 프레스에 통합한 독특한 장치를 개발했다. 이 장치 덕분에 흑연을 측면에서 누르는 대신 탄소 시트에 수직인 z축 방향을 따라 주로 압축할 수 있었다.
시료는 20기가파스칼, 즉 해수면 대기압의 약 20만 배에 해당하는 압력에서 10시간 동안 압축됐다. 온도는 화씨 2,300~3,450도(섭씨 1,300~1,900도)에 달했다. 현장 엑스선 회절을 이용한 실시간 관측으로 과학자들은 미세한 변환 과정을 살펴봤으며, 육방정계 흑연이 층간 미끄러짐과 흑연 시트 사이의 직접 결합을 거쳐 육방정계 다이아몬드로 바뀌는 마르텐사이트 변태를 확인했다.
우수한 성능 측정
마침내 밀리미터 크기의 시료를 확보한 연구팀은 확정적인 역학 시험을 진행할 수 있었다. 비커스 경도 시험과 기타 탐침을 이용해 긁힘과 변형에 대한 소재의 저항력을 측정했다. 그 결과 육방정계 다이아몬드의 경도는 114~165기가파스칼로, 천연 입방정계 다이아몬드의 약 110기가파스칼보다 높았다. 이는 상당한 경도 향상을 뜻하지만, 초기 예측에서 이론적으로 제시된 50% 향상에는 다소 못 미친다.
경도 외에도 이 물질은 뛰어난 열 안정성을 보였으며, 섭씨 1,100도까지 산화에 저항했다. 이는 고온에서 산업용 시추나 절삭 작업 중 산소에 노출되면 표면 결함이 생길 수 있는 입방정계 다이아몬드의 중요한 한계를 보완한다. 육방정계 구조의 강성과 산화 저항성은 기존 다이아몬드가 견디지 못하는 극한 환경에서의 활용 가능성을 시사한다.
고해상도 투과전자현미경을 이용한 구조 분석에서는 육방정계 다이아몬드의 특징인 주름진 벌집형 층의 AB 적층 구조가 확인됐다. 분광 분석 결과, 모든 결합은 sp3 시그마 결합이었으며 흑연 오염이 남아 있음을 보여주는 sp2 파이 결합은 없었다. 특히 층간 결합 하나가 나머지 세 결합보다 짧은 것으로 나타났으며, 이는 입방정계 다이아몬드보다 구조적 강도가 높아진 이유를 설명해 준다.
산업 및 과학 분야 응용
벌크 육방정계 다이아몬드의 개발로 입방정계 다이아몬드의 성능 한계 때문에 제약을 받았던 응용 분야에 길이 열렸다. 연구 공동 제1저자이자 정저우대 물리학자인 샨충신은 유망한 분야를 몇 가지 꼽았다.
절삭 공구, 열 관리 소재, 양자 센싱 등 여러 분야에 활용될 잠재력이 있습니다.
샨은 네이처에 이렇게 말했다.
항공우주 및 방위 산업은 특히 큰 이점을 얻을 수 있다. 육방정계 다이아몬드는 경도와 열 안정성이 뛰어나 극도의 정밀도와 내구성이 필요한 가공 및 시추 작업에 적합하다. 채굴의 한계와 윤리적 우려가 따르는 천연 다이아몬드와 달리, 실험실에서 성장시킨 육방정계 다이아몬드는 성능을 높이면서 지속 가능한 대안을 제공할 수 있다.
지질학적으로 이번 합성은 운석 충돌 과정을 이해하는 데 중요한 단서를 제공한다. 극한의 압력과 온도 조건에서 육방정계 다이아몬드가 어떻게 형성되는지 알면 과학자들이 충돌 사건을 식별하고 태양계 행성 형성의 역사를 재구성하는 데 도움이 된다. 이제 캐니언 디아블로와 같은 운석에서 론스달라이트가 발견된 것은 중국 연구팀이 성공적으로 재현한 특정 충격 변성 조건의 산물로 설명할 수 있다.
국제 과학계의 검증
이번 연구는 국제 과학계의 큰 관심을 받았다. 네이처 논문을 동료 심사한 라스베이거스 네바다대 결정학자 올리버 차우너는 연구 결과를 강하게 뒷받침했다.
이 물질을 봤다고 주장하는 사람은 수백 명에 달하지만, 이렇게 정체를 파악하기 어려웠던 물질을 매우 정확하게 분석한 것은 이번이 처음입니다.
차우너는 이렇게 말했다.
탄소 동소체를 연구해 온 도쿄대 무기화학자 나카무라 에이이치는 이번 연구의 방법론적 중요성을 강조했다.
이번의 새로운 2단계 방법은 육방정계 다이아몬드가 독립된 회수 가능한 벌크 물질이라는 최초의 확정적 증거를 제시합니다.
나카무라는 이렇게 말했다.
고압 과학 전문가이자 중국과학원 외국인 회원인 마오허광은 이번 연구가 재료과학에 미칠 더 큰 의미를 짚었다.
이번에 합성된 육방정계 다이아몬드는 초경질 소재와 첨단 전자기기 개발의 새로운 길을 열 것으로 기대됩니다.
마오는 사우스차이나모닝포스트에 이렇게 말했다.
기대가 큰 가운데서도 연구자들은 상용화까지는 해결해야 할 과제가 남아 있다고 인정한다. 합성에 필요한 특수 고압 장비로 인해 현재 생산 능력에는 한계가 있다. 따라서 초기에는 대중 시장용 장신구보다 정밀 과학 장비와 특수 산업용 절삭 공구 등 고부가가치 틈새 시장에 활용될 가능성이 크다.
핵심 내용
- 중국 과학자들이 순수한 육방정계 다이아몬드(론스달라이트)를 밀리미터 크기로 처음 합성해, 독립된 물질로 존재하는지를 둘러싼 60년간의 과학적 논쟁을 끝냈다.
- 이 물질의 경도는 114~165기가파스칼로, 천연 입방정계 다이아몬드의 약 110기가파스칼보다 높으며 섭씨 1,100도까지 뛰어난 열 안정성을 보인다.
- 연구진은 고배향 열분해 흑연을 20기가파스칼(대기압의 20만 배), 섭씨 1,300~1,900도에서 10시간 동안 압축해 변환에 성공했다.
- 잠재적 응용 분야로는 첨단 절삭 공구, 전자기기용 열 관리 시스템, 양자 센싱 장치, 극한의 내구성이 필요한 항공우주 부품 등이 있다.
- 이번 성과는 육방정계 다이아몬드가 결함이 있는 입방정계 다이아몬드 구조에 불과한 것이 아니라 독립된 탄소상으로 존재하는지를 둘러싼 오랜 회의론을 해소한다.
