다이아몬드만큼 단단한 소재 개발 성공

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다이아몬드는 아직도 세계에서 가장 단단한 물질로 알려져 있습니다. 이 회사는 톱날부터 우주선 부품까지 가장 힘든 작업에 필요한 도구 분야에서 선두적인 위치를 차지하고 있습니다.

1980년대 후반부터 과학자들은 착취적인 노동과 환경 파괴와 연관되는 경우가 많은 다이아몬드 채굴을 질화탄소라는 물질로 대체할 방법을 모색해 왔습니다.

탄소질화물의 새로운 소재는 다이아몬드에 가까운 경도를 가지고 있으며 다양한 분야에 잠재적으로 적용될 수 있습니다.

탄소와 질소로 형성된 질화탄소는 이론적으로 다이아몬드의 경도에 맞먹는 경도를 가질 수 있습니다. 하지만 산업적 규모의 솔루션은 장기적으로 실행 가능하지 않습니다.

30년 후, 에든버러 대학, 바이로이트 대학, 린셰핑 대학의 국제 과학자 팀이 마침내 이 초경질 소재 생산에 있어 중요한 혁신을 이루었습니다. 기본적으로 과학자들은 지구 중심에 존재하는 원소의 자연적 조건을 재현해야 합니다.

이를 위해 과학자들은 대기압의 70만 배로 탄소와 질소를 압축했습니다. 동시에 그들은 레이저를 사용하여 재료를 2732도 F(1500도 C)까지 가열했습니다. 다음으로, 샘플은 세 개의 입자 가속기(각각 프랑스, 독일, 미국에 위치)에서 고강도 X선 빔으로 검사되었습니다.

해당 연구는 2023년 10월 Advanced Materials 저널에 게재되었습니다. 과학자들은 주변 온도와 압력 조건으로 돌아갔을 때 매우 높은 경도를 갖고 다이아몬드와 같은 특성을 유지하는 세 가지 질화탄소 화합물을 발견했습니다.

에든버러 대학교에서 이 연구의 공동 저자로 활동하는 도미니크 라니엘은 "새로운 질화탄소 물질을 발견 하면서 연구자들이 30년 동안 꿈꿔왔던 물질을 만드는 것에 대한 생각을 하게 되었습니다." 라고 말했습니다. "이러한 소재는 고압 소재 합성과 산업 응용 분야를 더욱 긴밀하게 연결해줍니다."

추가 연구에 따르면, 이 새로운 소재는 작은 부피에 빛을 방출하고 높은 에너지 밀도를 저장하는 능력과 같은 추가적인 특성을 가지고 있는 것으로 나타났습니다.

질화탄소는 천연 다이아몬드를 완벽하게 대체할 수 없습니다. 다이아몬드의 경도는 약 90기가파스칼(GPa)인 반면, 입방정 질화붕소의 경도는 약 50~55GPa에 불과합니다. 새로운 질화탄소 화합물은 결정 구조에 따라 약 78~86 Gpa에 이릅니다. 숫자의 차이는 크지 않지만, 다이아몬드 1위를 차지하기에는 충분하지 않습니다.

과학자들이 만든 새로운 소재 샘플의 크기는 불과 5x3 마이크로미터입니다. 더 큰 샘플을 만들려면 더 큰 다이아몬드와 더 높은 압력이 필요하므로 새로운 초경질 탄소질화물은 엄청나게 비쌉니다.

그러나 이 소재는 기존 다이아몬드에 비해 전기 신호를 생성할 수 있다는 장점이 있어 비용 절감이 목표가 될 것입니다. 이는 센서에 사용하면 편리한 특징입니다.

Viet (출처: PopMech)

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