땅콩버터로 다이아몬드를 만들 수 있을까?
땅콩버터로 다이아몬드를 만들 수 있을까?
  • 제주일보
  • 승인 2020.07.01
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변종철 제주대학교 명예교수, 전 제주대학교 자연과학대학 학장

Robert H. Wentorf를 비롯한 몇몇 연구진들은 1950년 대에 연금술에 버금가는 실험결과를 발표했다.고온, 고압에서 수행되는 공정을 통해땅콩 버터를 다이아몬드로 생성시켰다.또한 지붕 덮개,나무,석탄,그리고 탄소 함유 밀도가 높은 물질들도 다이아몬드로 변형시켰다.

이 공정으로 만든 초기의 것은 불순물로 인해 검은 모래처럼 보였지만,많은 과학자의 끊임없는 노력의 결과로 현재는 투명하고 아름다운 보석 수준의 다이아몬드로 탄생되었다.현재는 GE사 등 많은 기업이 다이아몬드를 생산할 수 있는 체계를 갖췄다.

일반적 공정으로 큰 보석 수준의 다이아몬드를 만들려면 경제적 문제가 대두된다.그렇지만 낮은 압력에서 만드는 방법 등이 개발개선됨에 따라 의미있는 다이아몬드를 합성할 수 있다.일반적인 공정에서 사용되는 고압고온은 탄소의 상평형그림을 보면 이해할 수 있다.이것은 물의 상평형그림에서 물의 고체상태인 얼음과 액체기체상태에 대해 알 수 있는 것과 같다.

탄소의 상평형그림에서 알 수 있듯이 보통의 온도와 압력에서 탄소의 가장 안전한 형태는 다이아몬드가 아니고 흑연이다.그러나, 매우 높은 압력에서는, 다이아몬드의 더 큰 밀도로부터 예측할 수 있듯이,다이아몬드가 흑연보다 더 안정해진다.

높은 온도와 높은 압력에서 흑연으로부터 다이아몬드를 합성할 수 있다.일단 다이아몬드가 만들어지면 정상적인 조건(25, 1atm)에서 흑연의 검은 가루로 부스러지지 않는다.그 이유는 다이아몬드의 사면체 배열에서 흑연의 평면 배열로 공유결합이 재배열되려면 엄청나게 큰 활성화에너지가 필요하기 때문이다.

이를 보다 쉽게 환언하면 251atm에서 흑연이 다이아몬드보다 더 안정하지만,흑연으로 변화되는 반응속도가 너무 느리기 때문에 다이아몬드는 거의 영구적으로 존재한다.그 결과로 지구의 지각 깊은 곳의 높는 압력하에서 생성된 다이아몬드는 자연적인 지각현상에 의해 지구의 표면으로 드러나도 수 백만년 동안 변하지 않고 그대로 존재한다.

과학자들은 적절한 조건에서는 낮은 압력에서도 다이아몬드를 키울 수 있다는 것을 발견했다.이 공정을 화학적 증착(chemical vapor deposition, CVD)라 칭한다. CVD의 주된 장점은 다이아몬드를 제조할 때 초기 공정에서 사용되던 엄청나게 높은 압력이 필요하지 않은 것이다.

이렇게 탄생한 다이아몬드 박막은 튼튼하게 코팅하는 방법으로 잠재력을 과시하고 있다. 이 박막은 컴퓨터용 칩의 코팅에도 쓰인다. 다이아몬드는 높은 열전도성을 갖고 있기 때문에 이로 코팅된 칩은 고밀도의 전기회로에 의해서 야기된 열에 의해 손상을 입지 않는다.

이렇게 고난의 시간 속에 탄생하여 중요한 역할을 수행하는 다이아몬드도 불에 태우면 이산화탄소라는 기체로 사라진다. 이런 측면에서 다이아몬드를 영원한 부와 사랑을 상징하는 물질로 너무 집착하는 것은 고통의 시작일 뿐이다.

많은 사람들은 이것을 보석으로만 알고 있다. 그러나, 다이아몬드는 단단한 경도와 우수한 열전도율로 인해 전 산업 분야에 절삭 및 연마 소재로 사용되고 있다. 또한 이것은 대규모의 공업 분야에서 전기, 전자, 컴퓨터, 반도체 등 첨단 산업분야까지 없어서는 안될 소중한 자원이다.

탄소만으로 구성된 물질(동소체)들은 다양한 측면에서 흥미롭고 응용분야가 경이롭다. 탄소는 흑연, 다이아몬드, 풀러렌(fullerene), 탄소 나노튜브, 그래핀(graphene) 등의 다양한 모습으로 표현된다.다이아몬드처럼 이들의 응용분야는 무궁무진하다. 이들은 인간의 윤택한 삶을 위해 산업 현장에서 자신의 진정한 모습을 표출하면서 끊임없이 경쟁하고 있다.

 

 

 


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