다이아몬드보다 더 단단한 '육각형 다이아몬드' 나왔다

중국 연구진 개발…관련 논문 ‘네이처’에 발표

(지디넷코리아=이정현 미디어연구소)희귀 광물인 ‘론스데일라이트(lonsdaleite)’로 불리는 육각형 다이아몬드가 일반 다이아몬드보다 더 단단하다는 사실이 확인됐다고 과학 전문매체 라이브사이언스가 15일(현지시간) 보도했다.

이 같은 사실은 최근 육각형 다이아몬드 순수 시료가 처음으로 제작되면서 처음으로 확인됐다고 이 매체가 전했다. 

오랜 기간 인류는 다이아몬드를 지구상에서 가장 단단한 광물이라고 생각해 왔다. 그러나 운석 충돌로 산산이 부서진 왜행성에서 발견된 론스데일라이트가 등장하면서 ‘가장 단단한 광물’의 타이틀이 바뀌었다. 연구에 따르면 이 광물은 일반 다이아몬드보다 약 58% 더 강한 것으로 나타났다.

중국 연구진이 천연 다이아몬드보다 더 단단한 육각형 다이아몬드 시료를 만들었다. (사진=클립아트코리아)

일반 다이아몬드는 탄소 원자가 정육면체 형태로 배열된 입방형 결정 구조를 갖는다. 반면 론스데일라이트는 벌집과 유사한 육각형 격자 구조로 배열돼 있어 구조적으로 더 강한 특성을 갖는 것으로 알려져 있다.

중국 연구진은 이번 연구에서 순수한 육각형 구조의 다이아몬드 시료를 처음으로 확보했다고 밝혔다. 이달 초 국제 학술지 네이처에 발표된 연구에 따르면, 연구진은 직경 약 1.5mm 크기의 순수 육각형 다이아몬드 샘플 여러 개를 제작하는 데 성공했다.

연구 결과 육각형 다이아몬드는 기존 입방형 다이아몬드보다 강성과 경도가 모두 더 높고, 산화에 대한 저항성도 훨씬 뛰어난 것으로 확인됐다. 이는 산소와 반응해 표면이 손상되는 현상이 적어 더 높은 온도에서도 안정성을 유지할 수 있음을 의미하며, 시추 장비와 같은 산업 분야에서 중요한 장점으로 평가된다.

입방형 구조의 일반 다이아몬드와 육각형 구조의 다이아몬드를 비교한 그림 (사진=네이처)

연구진은 “대규모 분자 동역학 시뮬레이션과 구조 및 분광학적 분석을 통해 육각형 다이아몬드의 존재가 명확히 확인됐다”고 설명했다.

시료 제작을 위해 연구진은 탄소 원자가 층상 구조로 배열된 흑연을 약 20기가파스칼(GPa)의 압력(해수면 기준 지구 대기압의 약 20만 배)으로 10시간 동안 압축하고, 섭씨 1300~1900도의 고온 환경에 노출시켰다. 이러한 극한 조건에서 론스데일라이트는 다시 입방형 다이아몬드로 변형되기 시작하는 현상도 관찰됐다.

육각형 다이아몬드는 드릴과 절삭 공구, 연마용 코팅, 전자 기기의 열 방출 기술 등 현재 입방형 다이아몬드가 사용되는 다양한 산업 공정을 개선할 잠재력을 지닌 것으로 평가된다. 또한 운석에서 육각형 다이아몬드가 발견된다는 사실은 운석의 형성과 기원을 이해하는 데 중요한 단서를 제공해 태양계 연구에도 도움을 줄 수 있다.

이번 연구의 공동 주저자이자 중국 정저우대학교 물리학자인 샨충신(Chong-Xin Shan) 교수는 네이처와의 인터뷰에서 “이 신비로운 물질은 절삭 공구, 열 관리 소자, 양자 센싱 등 다양한 분야에서 활용될 잠재력을 지니고 있다”고 말했다.

연구진은 또 이번 연구가 육각형 다이아몬드를 대량 생산할 수 있는 실용적인 전략을 제시했다는 점에서도 의미가 크다고 강조했다. 연구진은 이를 통해 더 큰 규모의 시료 확보와 광범위한 과학적 연구는 물론, 기존 입방형 다이아몬드의 경도 한계를 넘어서는 새로운 산업 응용 가능성이 열릴 것으로 기대된다고 설명했다.

일반적인 다이아몬드, 입방형 구조를 지닌 다이아몬드가 세계에서 가장 단단한 물질로 알려져 있으나 최근 육각형 다이아몬드가 더 단단하다는 연구 결과가 나왔다.

이정현 미디어연구소(jh7253@zdnet.co.kr)