다이아몬드보다 더 단단한 '육각형 다이아몬드' 나왔다

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.