다이아몬드 손상시킬 경도 갖춘 유리 같은 신소재

딱딱하고 투명한 유리는 식기나 가구, 유리창 등 다양한 용도로 이용되지만 원자 구조에 균열이나 흠집이 생기기 쉬운 소재다. 그런데 중국 연구팀이 유리 원자 구조를 채택하면서도 다이아몬드를 손상하는 정도 경도를 가진 탄소 기반 신소재를 개발했다.

탄소 동소체인 다이아몬드는 각 탄소 원자는 인접한 원자 4개와 공유, 결합해 결정 구조를 가진 단단한 물질이다. 이 성질에서 다이아몬드는 단순히 보석으로 애지중지하는 것 뿐 아니라 연마제나 커터 등 용도로 활용되고 있다. 다이아몬드 등과는 대조적으로 원자와 분자가 규칙적으로 늘어서지 않은 물질은 비정질이라고 한다.

이전부터 딱딱한 소재 개발을 해온 중국연산대학 연구팀은 투명하면서도 딱딱한 소재 개발을 목표로 탄소 원자 60개로 이뤄진 축구공 같은 구형 분자 버크민스터풀러린(Buckminsterfullerene)을 분쇄하는 실험을 실시했다. 실험에서 연구팀은 25GPa라는 극단적인 압력에 1,000∼1,200도 고온에서 버크민스터풀러린을 가열했다.

또 버크민스터풀러린을 단번에 고온 고압 상태로 하는 게 아니라 12시간 이상에 걸쳐 서서히 열과 압력을 올린 뒤 천천히 냉각시켰다. 이전에도 버크민스터풀러린을 분쇄한 연구팀은 있었지만 극단적인 고온 고압 조건에서 다이아몬드가 형성되어 버리는 게 두려워 이렇게 극단적인 조건을 취해본 연구팀은 없었다고 한다.

그 결과 연구팀은 AM-III이라는 투명 물질을 만드는데 성공했다. 유리 같은 무질서한 원자 줄에 작은 결정 구조가 섞여 있는 게 확인되고 있다. 연구팀이 AM-III 특성을 조사한 결과 AM-III는 다이아몬드 경직을 눌러 경도를 조사하는 비커스 경도 시험에서 113GPa를 기록했다고 한다. 비커스 경도 시험에서 천연 다이아몬드 점수가 60∼100GPa라는 걸 감안하면 AM-III는 천연 다이아몬드보다 딱딱하다.

또 천연 다이아몬드 평평한 면을 AM-III으로 긁자 천연 다이아몬드에 상처가 생겼다. 연구팀은 AM-III가 지금까지 알려진 가장 딱딱한 비정질 소재라고 보고하고 있다. 여전히 AM-III를 상업 공정에서 널리 쓸 만큼 생산하는 건 어렵지만 AM-III로 만든 방탄유리는 일반 주류 제품보다 20∼100배 튼튼한 게 될 것으로 보여지고 있다. 또 AM-III는 딱딱할 뿐 아니라 실리콘과 비슷한 1.5∼2.2eV 밴드캡을 갖는 반도체이며 고압, 고안 등 극한 조건에서 작동하는 장치 사용에 적합하다. AM-III는 다양한 모양과 크기로 제조할 수 있는 점도 매력이며 앞으로 무기와 태양전지에 이용될 가능성도 보고되고 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.