전자 빔 쏴서 다이아몬드 만들었다

日 연구진, 아다만탄에 전자 빔 쏘여 나노다이아몬드 만들어

일본 도쿄대학 연구진이 전자 빔을 활용해 합성 다이아몬드를 만드는 방법을 개발했다고 과학전문매체 인터레스팅엔지니어링이 최근 보도했다. 해당 논문은 국제학술지 ‘사이언스’에 실렸다.

다이아몬드는 주로 지구 깊숙한 곳과 같은 극한의 고온·고압 환경에서 형성되며, 화학기상 증착법(CVD) 과정을 통해 생성하기도 한다. CVD는 진공 용기 안에 얇게 자른 ‘다이아몬드 씨앗’을 넣고 메탄가스와 아르곤 산소 등을 주입하는 방식이다.

나카무라 에이이치 교수가 이끄는 도쿄대학 연구진은 전자 빔을 사용해 비교적 낮은 압력에서 나노 다이아몬드를 만드는 방법을 발견했다.

도쿄대학 연구진이 전자 빔을 활용해 합성 다이아몬드를 만드는 방법을 개발했다. (사진=픽사베이)

연구진이 사용한 것은 ‘아다만탄(adamantine)’이란 물질로, 다이아몬드와 동일한 기본 사면체 탄소 골격을 갖춘 케이지형 탄화수소 분자다. 아다만탄의 탄소 원자는 다이아몬드와 유사한 배열을 하고 있지만 각각의 탄소는 수소 원자로 둘러싸여 있다.

연구진에 따르면, 아다만탄을 다이아몬드로 만들려면 수소를 제거해 탄소-수소 결합을 끊어야 하며, 탄소 원자들을 서로 연결해 새로운 탄소-탄소 결합을 형성해야 한다. 이를 위해 연구진은 투과전자현미경(TEM) 내부에서 전자 빔을 쏘여 아다만탄 결정을 변화시켰다.

나카무라 교수는 "TEM 전문가들 사이에서는 유기 분자에 전자 빔을 쏘이면 빠르게 분해된다는 것이 일반적인 통념이었다. 2004년 이후 제 연구는 이 생각이 틀렸다는 것을 입증하기 위한 끊임없는 싸움이었다"고 밝혔다.

실제로 예상과 달리 아다민탄에 전자 빔을 쏘였더니 분자가 파괴되는 대신 수소가 분리되고 탄소들이 연결돼 다이아몬드 격자가 천천히 만들어졌다. 이 과정에서 수소 가스가 방출되면서 최대 직경 10㎚(나노미터·1㎚=10억분의 1m)의 결함 없는 나노다이아몬드가 형성됐다.

이는 새롭게 개발된 공정이 고압이나 고온을 필요로 하지 않는다는 점에서 큰 의미가 있다고 연구진은 설명했다.

다른 탄화수소에서는 이와 같은 결과가 나오지 않아 이 과정에서 아다만탄이 핵심이라는 것도 발견했다. 아다만탄은 다이아몬드와 유사한 골격 구조 덕분에 전구체로 사용하기에 매우 적합한 것으로 드러났다.

앞으로 이 기술은 나노다이아몬드를 활용한 양자 컴퓨터나 센서, 신소재 가공 뿐 아니라 우주 화학 연구 활용 등 다양한 산업에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

나카무라 교수는 "이번 사례는 전자가 유기 분자를 파괴하지 않고, 조사할 분자에 적절한 특성을 부여하면 잘 정의된 화학 반응을 거치게 할 수 있다는 것을 보여주는 최고의 사례"라고 설명했다.