실온에서 보석을 만드는 방법 (Diamond)

- 다이아몬드는 수십억 년에 걸쳐 극심한 온도와 압력을 받으면 지구 맨틀에서 자연적으로 형성되어 전 세계적으로 매우 희귀한 광물입니다. 또한 다이아몬드는 극도의 경도, 높은 열전도도, 양자 광학 및 생물 의학등 다양한 분야에 필요한 물질입니다. 특히 실온에서 촉매없이 다이아몬드가 어떻게 형성되는지에 대해 아직 이해되지 않은 것이 많이 있습니다. 이러한 다이아몬드를 호주 국립 대학 (ANU)과 로열 멜버른 공과 대학 (RMIT) 대학의 과학자 팀이 몇 분 안에 실온에서 보석을 만드는 방법을 보고했습니다.

 

- 이러한 다이아몬드는 극도의 경도, 높은 열전도도 및 양자 광학등 여러가지 특성으로 인해 특히 기술 영역 내에서 매우 유용한 재료입니다. 가용성과 비용 문제를 극복하기 위해 1950 년대 초 산업 용도로 최초의 합성 다이아몬드가 생산되었습니다. 이러한 합성 과정은 원소 탄소를 결정질 다이아몬드로 전환하기 위해 여전히 높은 압력과 온도를 필요로 합니다. 이는 탄소의 물질 단계 사이의 높은 운동 장벽을 극복하는 데 필요한 에너지가 매우 높기 때문입니다.

 

- 최근 Small에 발표된 현재 연구에서 Dougal G. McCulloch교수 연구팀은 80 GPa의 압력을 사용하여 실온에서 나노 결정질 다이아몬드와 lonsdaleite (육각형 결정 구조를 갖는 덜 일반적인 형태의 탄소)의 형성을 보고했습니다. 대부분의 절차에는 약 1400 ° C의 온도가 필요하기 때문에 이는 상당한 개선입니다.

 

- "비틀림"은 압력이 가해진 방식에서 비롯됩니다. 유리질 탄소를 전구체 재료로 사용하고 실온에서 다이아몬드 앤빌 셀에서 압축했습니다. “유리 탄소는 흑연처럼 주로 sp 2 결합된 탄소의 비결정질 형태이지만 흑연과 달리 무작위로 적층되고 배향 된 층을 포함하여 불투명 한 등방성 물질을 형성합니다.”라고 그들은 말했다. 그리고 두 다이아몬드상은 실온에서 유리질 탄소 전구체를 고압 처리한 후 코어-쉘 구조를 가진 밴드 내에서 함께 형성되는 것으로 밝혀졌습니다. 다이아몬드상의 결정 학적 배열은 전단이 형성과 성장의 원동력이라는 것을 보여주었습니다.  이 연구는 전단이 어떻게 물질의 결정화로 이어질 수 있는지에 대한 새로운 이해를 제공하고 다이아몬드가 지구에서 어떻게 형성될 수 있는지를 설명할 수 있습니다. 

 

- 연구진은 투과 전자 현미경 (TEM)을 사용하여 세포에서 회수된 온전한 샘플을 분석하여 회수된 물질에 존재하는 상 간의 관계와 특성에 대한보다 완전한 이해를 제공할 수 있다고 말했습니다. "이것은 분쇄된 분말 샘플에서 우리가 존재하는 결정상 배열과 다이아몬드 셀에 존재하는 불균일 응력장 사이의 원자 수준 관계를 조사할 수 있었습니다."라고 그들은 썼습니다.

 

유리질 탄소를 압축하고 샘플을 분석한 후, 흑연, 다이아몬드의 세 가지 탄소 상이 관찰되었습니다. “다이아몬드와 lonsdaleite는 일반적으로 그래 핀 층의 슬라이딩을 포함하는 다른 변형 경로를 통해 형성되는 것으로 생각됩니다. 층이 함께 압축될 때 적절한 적층을 달성하기 위해,”저자가 말했다. 각각의 결정 형태를 형성하는 데 필요한 이러한 원자의 변위는 일반적으로 상 사이에 존재하는 운동 장벽을 최소화하기 위해 샘플을 가열함으로써 달성됩니다. 마지막으로, 새로운 전단 유도 형성 메커니즘은 실온에서 작동하며, 이는 다이아몬드 및 기타 기술적으로 중요한 나노 물질을 더 쉽게 합성할 수 있는 핵심적인 발견입니다.

 

- 가열없이 기적적으로 얻은 샘플에 나노 결정 다이아몬드와 론 스달 라이트 정맥의 존재는 고압 및 전단 변형의 존재로만 설명할 수 있으며, 이는 위상 변화의 운동 장벽을 극복하는 데 도움되는 비틀림 및 슬라이딩 힘을 초래합니다. “우리는 탄소에서 전단에 의한 상변이에 대한 관찰이 재료 과학, 지질학 및 행성 과학을 포함한 다양한 분야에서 광범위한 영향을 미칠 것으로 예상하며, 이 메커니즘은 다른 고체의 상 변화로 이어질 수 있습니다.”라고 저자는 결론지었습니다. 이것은 다이아몬드가 형성되는 조건이 조금 더 넓어 졌기 때문에 지구와 다른 행성 모두에서 다이아몬드가 발견될 가능성이 있는 곳과 관련이 있을 수 있습니다.

 

- 탄소 함유 폭발물 폭발, 운석 충돌, 흑연 전구체에 펨토초 레이저 펄스 또는 고출력 초음파를 적용하는 것이 다른 예입니다. 전단 응력의 존재는 많은 재료에서 상 변화를 촉진하는 데 관련이 있으며 lonsdaleite를 형성할 가능성은 전단과 관련이 있습니다. 충돌하는 동안 경험 한 극한의 조건에 기인한 캐니언 디아블로 운석에서 처음 발견되었다는 사실과 일치합니다. 상온에서 다이아몬드의 전단 유도 형성 메커니즘은 아직 해결되지 않은 상태로 남아 있습니다.

 

- 여기에서는 다이아몬드 셀에서 80 GPa 이상으로 압축된 비결정질 탄소 전구체의 동일한 샘플에서 실온에서 나노 결정질 다이아몬드와 lonsdaleite의 형성을 보고합니다. 이 연구의 핵심 참신함은 모든 형성 관계가 손상되지 않은 채 회수된 샘플을 조사하기 위해 전자 현미경 기술을 사용하는 데 있습니다. 이것은 분쇄된 분말 샘플 대신 암석 코어를 샘플링하는 것과 유사하며, 존재하는 결정 학적 위상 배열과 다이아몬드 셀에 존재하는 비 균일 응력장 사이의 원자 수준 관계를 조사할 수 있습니다.

 

실온에서 다이아몬드를 형성하는 과정을 나타낸 개략도

 

 

- 이 실험은 유리질 탄소는 샘플을 압축 해제하고 회수하기 전에 실온에서 다이아몬드 셀로 압축되었습니다. 샘플 챔버는 유리질 탄소 전구체 샘플로 완전히 포장되었으며 존재하는 전단 응력 수준을 높이기 위해 압력 매체를 사용하지 않았습니다. 유리질 탄소는 흑연과 같이 주로 sp 2 결합된 탄소의 비결정질 형태이지만 흑연과 달리 무작위로 적층되고 배향 된 그래 핀 층을 포함하여 불투명 한 등방성 물질을 형성합니다. 압축된 유리질 탄소 샘플의 광학 이미지는 이전에 보고된 관찰에 따라 60GPa 이상으로 압축되었을 때 샘플이 투명 해지기 시작했음을 보여주었습니다.

 

 

<출 처>

 

 

논문제목: Investigation of Room Temperature Formation of the Ultra-Hard Nanocarbons Diamond and Lonsdaleite

Dougal G. McCulloch, et al., Investigation of Room Temperature Formation of the Ultra-Hard Nanocarbons Diamond and Lonsdaleite, Small (2020). DOI: 10.1002 / smll.202004695

 

저 자: Dougal G. McCulloch, Sherman Wong, Thomas B. Shiell, Bianca Haberl, Brenton A. Cook, Xingshuo Huang, Reinhard Boehler, David R. McKenzie, Jodie E. Bradby

 

관련 링크: https://doi.org/10.1002/smll.202004695