파괴확률 0…세계서 가장 단단한 ‘다이아’ 탄생 <네이처紙>

아름다운 빛깔의 보석으로 명성이 높은 다이아몬드는 천연광물 중 가장 단단한 내구력을 자랑해 공업용 연삭(硏削), 연마재(硏磨材)로도 많이 활용된다. 이런 공업용 다이아몬드는 대부분 금속촉매가 합성된 인조 다이아몬드가 많이 활용되는데 최근 중국 대학 연구진이 세계에서 가장 단단한 합성 다이아몬드 제작에 성공해 학계의 관심이 집중되고 있다.

미국 과학전문매체 라이브 사이언스닷컴은 중국 허베이 성 옌산대학교(燕山大學校) 연구진이 현존하는 다이아 중 가장 튼튼한 내구력을 지닌 합성 다이아몬드 제작에 성공했다고 17일(현지시간) 보도했다.

보석으로 사용되는 다이아몬드는 단결정인데 비해 공업용 다이아몬드는 다결정으로 해당 구조의 원자배열이 복잡하고 미세할수록 내구력이 향상된다. 통상적인 인공 다이아몬드의 제작은 탄소 결정과 촉매역할의 전이금속을 약 7.5만atm(기압), 1,000℃ 이상 고온·고압 환경에 집어넣는 방식으로 이뤄진다. 해당 상태에서 몇 분만 지나면 1㎜미립자 결정이 완성된다.

연구진이 세계에서 가장 강력한 다이아몬드를 만들기 위해 수행되어야할 조건은 다음과 같았다. 먼저 ‘탄소 원자배열을 최대한 복잡하고 미세하게 할 것’ 그리고 ‘기존보다 더욱 높은 열과 압력에도 견딜 수 있을 것’ 두 가지다.

연구진이 다이아몬드 제작을 위해 선택한 탄소 결정은 미세한 크기의 나노트윈(nanotwinned) 탄소 결정으로 양파처럼 계속 벗겨내도 끝이 보이지 않는 반복패턴이 특징이다. 이 결정은 200㎬(기가파스칼)이라는 초고압 환경과 최대 1,056℃에 달하는 고온에서 산화되지 않고 버텨냈고 세상에서 가장 단단한 다이아몬드 결정으로 재탄생됐다.

하지만, 해당 다이아몬드가 세계에서 가장 단단하다는 발표에 대해서는 이견이 엇갈리고 있다. 독일 바이로이트대학교 재료물리학과 나탈리아 두브로빈스카 교수는 다이아 제작에 쓰인나노트윈(nanotwinned) 탄소 결정이 200㎬(기가파스칼)이라는 고압환경에서 버텨내는 것이 가능한지 의구심이 든다는 의견을 표했다. 반면, 미국 아르곤 국립 핵물리학 연구소 (Argonne National Laboratory) 호 쾅-마오 연구원은 해당 고압환경에서 나노트윈(nanotwinned) 탄소 결정이 버텨내는 것이 가능하다며 다이아몬드의 내구성을 인정했다.

한편 이 연구결과는 국제 기초과학종합 학술지 ‘네이처(Nature)’에 12일(현지시간)자 주요이슈로 소개됐다.

사진=네이처(Nature)

조우상 기자 wscho@seoul.co.kr