흑연이 다이아몬드로 변화되는 원리를 설명해 주세요.
안녕하세요
흑연과 다이아몬드는 모두 탄소로 이루어져 있지만, 결정 구조의 차이로 인해 서로 다른 물질입니다. 흑연은 층상 구조를 가지고 있는 반면, 다이아몬드는 탄소 원자가 엄밀하게 3차원 입체 구조로 연결되어 있습니다.
흑연을 다이아몬드로 변환하려면, 흑연의 층상 구조를 깨뜨리고 탄소 원자들을 3차원 입체 구조로 재배열해야 합니다. 이를 위해서는 고온 고압 조건이 필요하며, 자연에서는 지구 깊숙한 곳에서 수천 도의 고온과 수만 기압의 압력 아래서 오랜 시간 동안 진행됩니다.
인공적으로는 고압 고온 합성법을 이용하여 흑연을 다이아몬드로 변환할 수 있습니다. 이 방법은 흑연에 5만 기압 이상의 압력과 1500℃ 이상의 온도를 가하는 과정으로, 흑연의 층상 구조가 붕괴되고 탄소 원자들이 3차원 입체 구조로 재배열되어 다이아몬드가 형성됩니다.
일반적으로, 흑연과 다이아몬드는 모두 탄소 원자로 이루어진 구조를 가지고 있습니다. 그러나 흑연은 평면 형태의 구조를 가지고 있어서 부드럽고 날카로운 특성을 가지고 있고, 다이아몬드는 입체 구조를 가지고 있어서 극도로 단단하고 강인한 특성을 가지고 있습니다.
흑연에서 다이아몬드로 변화하는 과정은 높은 압력과 높은 온도 환경에서 발생합니다. 지각 깊숙한 곳에서 압력과 온도가 충분히 높은 조건에서 발생하는 지열 활동이나 운동 등의 자연적인 현상에 의해 발생할 수 있습니다. 이러한 환경에서 탄소 원자들은 흑연 구조에서 다이아몬드 구조로 재배열되어 변화합니다.
흑연이나 다이아몬드는 같은 탄소덩어리인데 그 구조가 어떠냐에 따라 차이가 있습니다.
인공 다이아몬드는 탄소 덩어리를 이용하여 보통 2가지 방법으로 제조한다. 하나는 초고온, 초고압 방법(HTHP법)으로 1955년 제너럴 일렉트릭(GE)에서 개발한 방법이다. 흑연 분말을 최고 2000℃의 고온과 최고 10만 기압을 인가하여 만들어내는 방법이다. 이 방법은 공업 용도로 사용되는 다이아몬드를 만들때 특히 많이 사용하는 방법이다. 두번째 방법은 마이크로웨이브 플라즈마 화학기상증착법(MPCVD)라는 방법이며, 메탄과 같은 탄소화합물 기체를 열이나 마이크로웨이브파로 분해하고, 제4물질인 고온 플라즈마로 만든 다음 3000℃ 이상으로 가열한 진공용기 안에서 다이아몬드를 성장시키는 방법이다. 천연 다이아몬드 거래업을 운영하며 최근 인공 다이아몬드 시장으로 진출한 드비어스(De Beers)가 이 방법을 사용한다. 이 방법으로 1시간에 0.006mm 정도 다이아몬드가 성장하게 된다. 인공적으로 연구실에서 성장시킨 다이아몬드의 기본 물성은 천연 다이아몬드와 모두 동일하다. 다만 광택에 있어 인공 다이아몬드가 밋밋한 느낌이 있어 주로 공업용도로만 사용된다.