KISTI의 과학향기

일본 쓰쿠바대학(University of Tsukuba)의 연구진은 다이아몬드보다 더 단단한 새로운 탄소 기반의 물질을 만들었다. “펜타다이아몬드(pentadiamond)”라고 불리는 이 구조는 절단 공구에 사용되는 합성 다이아몬드를 대체하는데 유용하게 적용될 수 있을 것이다.

 

다이아몬드는 탄소 원자만으로 고밀도 격자를 배열시킴으로써 다른 재료에 비해서 매우 높은 경도를 가진다. 그러나 탄소는 동소체라고 불리는 많은 다른 안정적인 구조들을 만들 수 있다. 이런 동소체 중에 연필심으로 익숙한 흑연에서부터 탄소 나노튜브와 같은 나노물질이 포함된다. 동소체들의 기계적 특성은 원자들이 어떻게 결합했느냐에 따라서 달라진다. 통상적으로 다이아몬드는 각각의 탄소 원자가 4 개의 이웃한 탄소 원자들과 공유 결합을 형성한다. 이런 구조를 탄소 원자들이 sp3 혼성화(hybridization)를 가진다고 부른다. 나노튜브 등의 동소체의 경우에, 각 탄소는 sp2 혼성화라고 불리는 3 개의 결합을 형성한다.

 

이번 연구진은 탄소 원자들의 sp3 혼성화와 sp2 혼성화를 동시에 가지는 더 복잡한 구조로 배열했을 때 기계적 성질이 어떻게 변하는지를 조사했다. sp2와 sp3 혼성화된 원자들을 동시에 가지는 탄소 동소체는 네트워크 속의 수많은 조합 및 배열로 인해 형태학적인 다양성이 더 커지게 된다.

 

가장 안정적인 원자 구성을 계산하고 경도를 추정하기 위해서 밀도 범함수 이론(density functional theory)를 사용했다. 밀도 범함수 이론은 화학 및 고체 물리학에서 재료의 구조와 특성을 예측하는데 주로 사용되고 있다. 모든 전자의 양자 상태를 추적하는 것은 매우 힘든 작업이다. 그래서 밀도 범함수 이론으로 원자 궤도를 도는 전자의 최종 밀도에 초점을 맞춘 근사법을 사용했다.

 

이런 계산을 통해서 펜타다이아몬드의 영률(Young's modulus)은 거의 1700GPa로 추정되고 기존의 다이아몬드가 약 1200GPa인 것에 비해서 매우 높은 경도를 가진다.

 

펜타다이아몬드는 기존의 다이아몬드보다 단단하고 밀도는 매우 낮아서 흑연과 유사하다. 펜타다이아몬드는 절단용 및 드릴링 공구 이외에도 행성 내부의 극압((極壓))을 재현하는 과학 연구를 위한 다이아몬드 앤빌 셀(diamond anvil cell)을 대체할 수 있을 것이다. 이 연구는 재료를 설계하는데 새로운 길을 열어줄 수 있을 것이다.