"일반 다이아몬드보다 5배 강해”…깨지지 않는 다이아몬드 개발

中 연구진, 네이처 신세시스에 관련 논문 발표

다이아몬드는 지구상에서 가장 단단한 물질로 흠집이 잘 나지 않으나, 강한 충격을 받으면 깨지기 쉽다는 단점이 있다. 그런데 일반 다이아몬드보다 인성이 약 5배 강해 쉽게 깨지지 않는 인공 다이아몬드가 개발돼 주목받고 있다.

IT매체 BGR은 중국 연구진이 일반 단결정 다이아몬드보다 약 5배 높은 인성을 지닌 다이아몬드 복합체를 개발했다고 최근 보도했다.

중국과학원 물리연구소, 베이항대학교를 비롯한 중국 여러 대학과 연구기관의 연구진이 공동으로 개발한 이 소재는 지난 7월 국제 학술지 '네이처 신세시스'에 연구 결과가 발표됐다.

중국 연구진이 일반 단결정 다이아몬드보다 약 5배 높은 인성을 지닌 다이아몬드 복합체를 개발했다 (사진=클립아트코리아)

연구진에 따르면 새로운 다이아몬드 복합체는 인성을 크게 높이면서도 일반 다이아몬드와 비슷한 경도를 유지한다. 경도를 유지하면서 인성을 높이는 것은 그 동안 과학자들이 해결하기 어려웠던 과제다. 기존 다이아몬드 연구는 주로 내부 결정 구조를 바꾸는 방식에 초점을 맞춰왔기 때문이다.

앞서 지난 3월에도 중국 연구진이 천연 다이아몬드보다 단단한 인공 다이아몬드를 개발해 주목받았다. 당시 연구진은 흑연을 이용해 '론스데일라이트(lonsdaleite)'로 불리는 육각형 구조의 다이아몬드를 만들어냈다.

그러나 이번 연구는 새로운 결정 구조의 다이아몬드를 합성하는 대신 다이아몬드 분말에 탄소 나노튜브를 결합해 강도를 높이는 방식을 택했다.

텅스텐 합금보다 높은 파괴 인성

새로운 다이아몬드 복합체를 만들기 위해 연구진은 먼저 다이아몬드 입자 사이의 틈을 다중벽 탄소 나노튜브로 채웠다. 탄소 나노튜브의 굵기는 사람 머리카락의 약 1만분의 1 수준이다.

사진=픽사베이

이후 혼합물을 섭씨 2000도로 가열하면서 15GPa(기가파스칼)의 압력을 가했다. 이 과정에서 탄소 나노튜브는 다이아몬드 입자와 원자 수준에서 결합했고, 소재 전체에 걸쳐 구조를 지탱하는 3차원 네트워크를 형성했다.

연구진이 제작한 복합체의 경도는 약 91.6GPa로 측정됐다. 이는 일반 단결정 다이아몬드와 비슷한 수준이다. 반면 평균 파괴 인성은 31.9MPa•m¹/²로, 일반 다이아몬드보다 약 5배 높았다. 인성이 높은 것으로 알려진 텅스텐 합금의 파괴 인성(25.6MPa•m¹/²)보다도 높은 수치다.

이번 기술은 쉽게 깨지지 않으면서도 높은 경도를 유지해야 하는 초경질 공구와 산업용 소재 개발에 활용될 가능성이 있다. 특히 항공우주 분야와 첨단 기계 가공 등 높은 내구성과 내충격성이 요구되는 산업에서 주목 받을 것으로 전망된다.