기술

하이 2015. 5. 18. 15:27
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다이아몬드보다 강한 물질 발견

 

 

KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-02-13
현재 다이아몬드가 세상에서 가장 단단한 물질로 알려져 있다. 그러나 과학자들은 우르자이트 질화 붕소(wurtzite boron nitride, w-BN)라고 불리는 물질이 다이아몬드보다 압입 강도(indentation strength)가 더 크다는 것을 계산하였다. 또한 이들 과학자들은 탄소로 만들어졌고 다이아몬드보다 작은 육방정계 다이아몬드라고 불리는 론스달레이트(lonsdaleite)라는 물질이 w-BN보다 더 강하며 다이아몬드보다도 58%나 더 강하다는 계산 결과를 얻었다. 이 분석은 같은 하중이 가해졌을 때 다이아몬드보다 더 강한 최초의 물질이라고 상하이 Jiao Tong 대학과 Las Vegas 네바다 대학의 연구진은 설명하였다. 이들의 연구 결과는 Physical Review Letters 최신호에 발표되었다.

연구진은 특정한 물질에 큰 수직압력을 가하면 다이아몬드보다 더 단단한 새로운 구조의 물질로 변환시킬 수 있음을 보였주었다고 말하였다. 이것은 새로운 초강력 물질을 디자인할 수 있는 새로운 메커니즘이될 수 있을 것이라고 덧붙였다. 연구진은 w-BN과 론스달레이트의 초강력 세기는 압축에 대한 물질 구조의 특별한 반응 때문이라고 말하였다. 압인기에 의한 수직 압축은 물질의 원자 결합을 바꿈으로써 부피는 유지하면서 더 강한 구조로 바뀌는 구조적 상변이를 야기시킨다. 연구진은 w-BN과 론스달레이트가 다이아몬드와 비교하여 결합의 정렬 방향성에 미묘한 차이가 있다고 말하였다.

큰 수축 압력을 겪게 될 경우, w-BN은 결합이 뒤바뀌기 전보다 강도가 78퍼센트나 증가한다. 연구진은 w-BN이 114GPa의 압축 세기에 도달할 수 있다는 계산 결과를 얻었는데, 이는 같은 압축 조건하에서 97GPa의 다이아몬드가 보이는 압축 세기보다 훨씬 더 강한 것이다. 론스달레이트의 경우에는 같은 다이아몬드의 경우보다 58% 더 큰 152GPa의 압축 세기를 보였다. 론스달레이트가 w-BN 보다 단단한 것이다. 그 이유는 이 물질이 탄소 원자들로 만들어졌기 때문이다. 이에 비해 w-BN은 보론과 질소 원자들로 만들어졌다. 론스달레이트에서 탄소-탄소 결합은 w-BN에서 보론-질소 결합보다 더 강하다.

최근까지 압인기에 의한 수직 압력은 제일 원리(first pronciples)로 계산한 결정의 이상적인 전단 강도(shear strength) 계산에 포함되지 않았었다. 그러나 최근의 계산적 진보로 연구자들은 그 효과를 고려할 수 있게 되었고 그 결과 이와 같은 놀라운 현상을 발견하게 된 것이다. 아직 w-BN과 론스달레이트를 실험하는 것은 그리 쉬운 문제가 아니다. 그 이유는 이 물질들을 대량으로 합성하는 것이 어렵기 때문이다. 그러나 최근의 다른 연구에서 w-BN과 c-BN 나노혼합물을 제작할 수 있는 유망한 방법을 개발하여 론스달레이트와 다이아몬드를 포함한 나노혼합물의 합성이 가능하게 될 것으로 보인다.

이 연구는 어떤 물질을 강화할 수 있는 원자 수준의 메커니즘을 보임으로써 초경재료(superhard material)를 디자인하는 새로운 방법을 제공하여 줄 수 있을 것으로 보인다. 연구진이 설명한 바와 같이 초경재료는 과학과 기술분야에 다양한 용도로 사용될 수 있다. 연구진은 단단함은 초경재료 특성중의 하나에 불과하다고 말하였다. 열적 안정은 초경재료가 갖추어야 할 또 다른 특성이라고 연구진은 말하였다. 초경재료는 절삭이나 구멍을 뚫을 때 극도의 고온 환경에서 견뎌야 한다. 또한 마이크 전자기술과 나노기술, 그리고 우주기술에 이르기까지 마모, 부식, 피로등에 견디는 코팅등에 응용되기 위해서도 열적 안정이 중요하다.
다이아몬드를 포함하여 모든 탄소에 기반한 초경재료에서 탄소 원자들은 고온(약 600도)에서 산소 원자와 반응하여 불안정하게 된다. 따라서 고온 응용 디바이스를 개발하기 위해서는 열적으로 더 안정적인 초경재료를 디자인하는 것이 필수적으로 중요한 것이다. 더구나 대부분의 초경재료는 반도체이기 때문에 전도성이 있는 초경재료를 디자인하는 것이 요구된다. 더구나 초경 자기 물질은 여러가지 기록 디바이스에서 핵심적인 성분이 될 것이다.
첨부그림: 다이아몬드 반지. 과학자들은 w-BN이나 론스달레이트라는 물질이 압인 강도가 다이아몬드보다 더 강하다는 것을 계산으로 보였다.

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출처 : 신과학
글쓴이 : 푸른 원글보기
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