화학 `다이아몬드`라고 모두 영원한 것은 아니다

2014.05.31 20:56

`다이아몬드`라고 모두 영원한 것은 아니다 http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2014050444&service_code=03
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-05-28

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다이아몬드는 영원한 아름다움의 상징이다. 하지만 다이아몬드라고 해서 모두 영원불멸의 아름다움을 유지할 수 있는 것은 아니라는 사실을 미국 라이스대학(Rice University) W. E. 빌럽스(W. E. Billups) 교수 연구진이 발견했다. 이 발견으로 다이아몬드의 안정성이 크기 의존성을 나타낸다는 사실이 확인되어 나노소재로서 다이아몬드를 이해하는데 있어 새로운 실마리가 될 것으로 전망된다.

미국화학회(American Chemical Society)에서 발행하는 ‘물리화학레터스(Physical Chemistry Letters)’ 최신호에 게재된 연구보고서에서 빌럽스 교수는 용해도가 우수한 탄소 소재를 만들기 위해 무연탄(anthracite coal)을 화학적 환원 처리한 시편을 전자현미경(electron microscope)으로 관찰하다가 나노 크기의 다이아몬드가 생성되었다가 사라지는 장면을 목격했다고 밝혔다.

이는 전자현미경에서 방출된 전자빔(electron beam)이 수소화된 탄소원자(hydrogenated carbon atoms) 덩어리(cluster)되면서 다이아몬드와 유사한 격자구조의 나노다이아몬드(lattice-like structure of nanodiamonds)로 전환되는 과정이 우연히 포착된 것이다. 전자현미경에서 방출되는 매우 강력한 힘을 가진 고에너지 전자빔이 수소화된 탄소원자를 강타하는 과정에서 수소 원자 일부가 탄소에서 떨어져 나가면서 탄소원자가 재정렬하는 현상이 나타난 것으로 추정된다. 자연적인 상태에서 다이아몬드가 생성되려면 엄청난 온도와 압력이 필요하다. 빌럽스 연구진은 자연 상태에서 다이아몬드가 생성될 때 수반되는 압력이나 온도 환경을 전혀 충족시키지 않은 상태에서 전자빔으로 수소원자를 이탈시켜서 일종의 연쇄반응을 일으켜서 직경 2~10나노미터(nanometer) 크기의 다이아몬드의 생성을 유도했다.

한 가지 이상한 점은 이렇게 생성되었던 나노다이아몬드 대부분이 전자빔으로 관찰하는 동안 대부분 출발물질로 되돌아가는 역반응을 통해 사라져 버렸다는 것이다. 이는 벌크 상태의 다이아몬드와 달리 나노다이아몬드는 안정하지 않다는 것을 의미한다. 즉, 다이아몬드의 안정성이 크기 의존성을 나타낸다는 것을 보여준다.

빌럽스 연구진은 같은 대학소속의 물리학자 보리스 야콥슨(Boris Yakobson)의 도움을 받아 이 현상에 대한 연구를 진행했다. 야콥스 교수는 화학적으로 처리된 무연탄과 아역청탄에서 나노다이아몬드가 생성되는 과정에 대한 이론적 계산을 수행했다. 그 결과 전자빔에 수소 원자를 가격하는 과정에서 수소와 탄소 사이의 화학결합이 깨지고, 그 깨진 결합을 보상하기 위한 과정으로 인접한 탄소 사이에 결합이 재생성되는 과정이 연쇄적으로 일어나면서 나노다이아몬드가 생성되는 것으로 나타났다.

[참고문헌]
Radiation-Induced Nucleation of Diamond from Amorphous Carbon: Effect of Hydrogen
Yanqiu Sun, Alexander G. Kvashnin, Pavel B. Sorokin, Boris I. Yakobson, and W. E. Billups(Tel: 713-348-5694. E-mail: billups@rice.edu.)
J. Phys. Chem. Lett., 2014, 5, pp 1924–1928 DOI: 10.1021/jz5007912

[출처] http://freepressjournal.in/not-all-diamonds-are-forever/

자료를 가져가실 때에는 출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』을 밝혀 주시기 바랍니다.

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