영원한 보석 다이아몬드. 오랫동안 변하지 않는 아름다움과 부의 상징으로 여겨지며, 인간이 가장 갖고 싶어하던 보석이기도 합니다. 하지만 현대의 과학자들은 이 고귀한 보석에 완전히 새로운 가치를 부여합니다. 단순한 장식용 보석이 아니라, 전화기용 마이크로 칩에서부터 우주 탐사 장비에까지 활용되며 기술적 혁명까지 가능하게 하는 다이아몬드. 자연이 수십 억년 걸려 만들어내던 다이아몬드를 이제 인간은 단 며칠 만에 만들 수 있습니다. 기술적으로 더욱 발전한 ‘슈퍼 다이아몬드’의 비밀과 그 가치를 살펴봅니다.
자연의 선물, 천연 다이아몬드
다이아몬드는 지구에서 매우 흔한 원소인 탄소로 이루어져 있으며, 맨틀이라고 불리는 지구 깊숙한 곳에서 생성됩니다. 맨틀은 지구 지각과 초고온의 핵 사이에 존재하는 층입니다. 이 밑에서 탄소의 분자 구조는 엄청난 압력에 의해 변합니다. 원자들이 서로 짓눌려 새로운 격자 구조로 바뀌는 것입니다. 극한의 압력과 온도 속에서 탄소는 다이아몬드가 됩니다. 온도는 약 섭씨 1,500도까지 올라가고 압력은 약 50킬로바(Kb)에 육박 - 50킬로바는 약 성인 남성 4,000명의 무게로 발을 밟는 것과 같은 압력- 합니다. 이제 발원지인 맨틀에서 지면까지는 160km가 남았습니다. 다행히 킴벌라이트라는 물질 덕분에 지면 위까지 빠르게 올라옵니다. 킴벌라이트는 지구 깊숙한 곳에서 형성되는 화산암으로, 다이아몬드를 함유하고 있는 암석입니다. 다이아몬드를 만들지는 않지만 운반해 주는 역할을 합니다.
이것이 지면으로 상승하며 뿌리 모양의 통로를 뚫고 그 안에는 마그마와 맨틀 조각, 다이아몬드가 가득 채워집니다. 그리고 지각을 뚫고 나오면서 작지만 격렬한 화산으로 폭발합니다. 지면 위에선 마그마가 산더미처럼 쌓아 올린 화산 분출물이 서서히 식으며 단단하게 굳습니다. 이 속에 숨겨진 다이아몬드는 킴벌라이트에 둘러싸인 매우 희귀하고 완벽한 결정체입니다. 더군다나 호프 다이아몬드처럼 붕소 함량이 높은 청색 다이아몬드는 더 귀해서 생성 확률이 10만 분의 1도 안 됩니다.
흑색 다이아몬드, 카보나도
이 암석은 석탄과 비슷해서 ‘카보나도’라고 불리는 유명한 흑색 다이아몬드입니다. 카보나도의 존재는 수백 년 전부터 알려져 있었지만 형성 과정은 여전히 의문으로 남아 있으며 최근에 와서야 과학적 가치를 인정받기 시작했습니다. 과학자들에게 카보나도는 수수께끼 같은 존재입니다. 맨틀에서 형성된 다이아몬드와 같은 특성이 전혀 없기 때문입니다. 맨틀에서 형성된 다이아몬드는 고온, 고압에서 만들어져서 밀도가 높고 조밀한 하나의 결정체로 압착되지만, 이 흑색 다이아몬드는 그렇지 않습니다. 카보나도를 현미경으로 관찰해보면 빈 공간도 아주 많고 수많은 구멍이 보입니다. 또한, 하나가 아닌 수백만 개의 결정이 서로 연결되어 있습니다. 과학자들은 카보나도가 일반 다이아몬드와 달리 고압이 아닌 저압 상태에서 형성됐다고 결론을 내렸습니다. 과학자들은 카보나도의 기원을 탐구하며, 다시 한 번 소멸 직전의 적색 거성으로 눈을 돌립니다.
현재 학설에 의하면, 이 작은 다이아몬드는 초신성 폭발로 생성됐고, 그 독특한 구조는 우주의 진공 상태로 설명할 수 있습니다. 뜨거운 다이아몬드가 서로 강하게 충돌하고 서로 엉겨 붙어 커다란 다이아몬드를 형성합니다. 이 격렬한 형성 과정에서 광물 가루가 달라붙으면서 커다란 다이아몬드는 검은색을 띱니다. 그리고 운석에 실려 지구로 운반됩니다. 아마도 운석이 충돌했을 때 다이아몬드가 운석에서 떨어져 나오며 장관이 연출됐을 겁니다. 카보나도에게는 일반 다이아몬드를 능가하는 장점이 또 있습니다. 다결정 구조 덕분에 크기도 더 클 뿐만 아니라, 절단이 불가능할 정도로 경도도 더 셉니다.
슈퍼 다이아몬드 탄생 과정, CVD
단단한 슈퍼 다이아몬드를 만들려면 카보나도의 다결정 구조를 본떠야 합니다. 특히, 카보나도가 우주의 진공 상태에서 형성된다는 이론은 슈퍼 다이아몬드 제조에 새로운 전기를 마련합니다. 이 이론을 바탕으로 더 단단하고 큰 다이아몬드, 자연에선 볼 수 없는 다결정 구조의 다이아몬드를 만들 수 있습니다. 핵심은 낮은 압력으로 진공 상태의 우주에서처럼 만드는 것입니다. 이 공정은 화학 증착법, 줄여서는 CVD라 부릅니다. 먼저 기압보다 약간 낮은 진공실에 작은 다이아몬드 씨앗을 넣고 섭씨 2,000도 가까이 가열합니다. 그 다음엔 탄소를 함유한 메탄 가스를 주입한 후 수소를 주입합니다. 그리고 전파로 수소와 메탄 분자를 충돌시키며 흥분 상태로 만들어 혼합 가스를 폭발시킵니다. 이 과정에서 탄소 원자가 발생해 씨앗 위에 달라붙으며 다이아몬드를 서서히 키워나갑니다. 이 공정을 한 단계 더 발전시키는 곳도 있습니다.
워싱턴 D.C.에 있는 미 해군 연구소에서는 한 개가 아닌 웨이퍼처럼 얇은 다이아몬드 박판을 만듭니다. 이들은 실리콘 웨이퍼 위에 다이아몬드 씨앗을 얇게 뿌린 후, CVD 공정을 거쳐 크기를 키웁니다. 성장 과정에서 서로 부딪히며 덩어리를 형성하고, 다양한 결을 지닌 다이아몬드가 탄생합니다. 그리고 다이아몬드 결정이 서로 결합해, 웨이퍼 위에 두께 0.05mm미만의 조직 결정체를 형성합니다. 다이아몬드 박판의 모양은 웨이퍼의 모양에 따라 달라질 수 있으며, 실리콘 웨이퍼를 완벽하게 대체할 수 있습니다. 또한, 천연 다이아몬드보다 훨씬 강하고 뛰어난 내열성과 전기 전도성을 자랑합니다.
삶의 혁명, 슈퍼 다이아몬드
슈퍼 다이아몬드의 활용은 한 분야에 국한되지 않습니다. 고감도 전자 감지기에서부터 인공 관절 같은 초고강도 의료용 이식물, 그리고 외계 생명체 탐색에까지 사용되기 때문입니다. 또한, 통신 분야에서 획기적인 변화를 만들어낼 수 있습니다. 초당 1천 억 번까지 진동하여 최고의 음질을 만들어내는 나노 공진기보다 1천 배 정도 더 미세한 다이아몬드 공진기는, 휴대 전화 같은 일상 용품에 사용되어 통화 시간의 증가와 깨끗한 음질을 보장할 수 있을 것입니다. 또한, 다이아몬드의 투명도도 많은 기술 분야에 활용될 것입니다. 독특한 광학적 투명성을 지닌 다이아몬드는 첨단 광학 장비에 사용할 수 있는 최적의 물질입니다. 다이아몬드는 자외선부터 적외선까지 광범위한 빛을 투과시킵니다. 또한, 빛이 변형되지 않고 통과하는 유일한 물질이기도 합니다. 슈퍼 다이아몬드를 이용해 NASA 는 고강도의 선명한 유리창을 만들 수도 있습니다. 이처럼 슈퍼 다이아몬드의 가능성은 무한합니다.
지금은 시작에 불과합니다. 자연은 수십 억 년이 걸려 다이아몬드를 만들어냈지만, 이제 우리 인간은 며칠 만에 더 강하고 더 크고 우수한 슈퍼 다이아몬드를 만들어 낼 수 있습니다. 다이아몬드 제조 기술이 향상되고 비용은 떨어지고 있는 만큼, 언젠간 다이아몬드가 길거리의 돌처럼 흔해지는 날이 올 겁니다. 삶의 혁명을 일으킬 슈퍼 다이아몬드에 우리 모두 주목해야 하는 이유이기도 합니다.
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