[기술전쟁] 음료수 페트병으로 ”나노다이아몬드” 생성 기술 개발

[디지털비즈온 이호선기자] 플라스틱 또는 PET에 지구 대기압의 약 100만 배에 달하는 압력을 가하고 섭씨 수천도로 가열하면, ‘나노다이아몬드’를 형성 한다고 물리학자 크라우스(Kraus)와 동료들의 논문이 9월 2일 과학저널 사이언스 어드밴스(Science Advances) 에 게재되었다.

캘리포니아주에 있는 국립 가속기 연구소(SLAC) 의 연구자들이 페트병 등에 사용되는 플라스틱 소재 ‘폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)’ 에 레이저광을 가함으로써 매우 섬세한 다이아몬드를 생성할 수 있다고 외신들이 9월 2일 전했다.

다이아몬드는 탄소가 고압 및 고온에서 압축될 때 형성된다. 다이아몬드는 탄소 원자만으로 이루어진 물질이다. 탄소는 지구에서 흔한 물질인데, 우리가 사는 지표 부근은 다이아몬드가 만들어질 수 없는 환경이다.

다이아몬드가 형성되려면 5~6만 기압과 1300~1800℃에 이르는 극한 환경이 필요하다. 이런 환경은 지구 내부의 50~250km 부근(맨틀)에서나 가능하다. 엄청난 압력과 높은 온도에서 오랜 시간이 지나야만 탄소 원자로부터 다이아몬드가 만들어질 수 있다.

다이어몬드는 지구 맨틀의 일부 지역에서만 발생하는 반면, 외계 슈퍼지구 또는 태양계의 얼음 거인 천왕성과 해왕성과 같은 더 큰 행성에서는 다이아몬드 생성에 더 유리한 조건을 갖고 있다.

과학자들은 그러한 행성에서 보석이 어떻게 형성되는지 연구하기 위해 실험을 했다. 실험에서 과학자들은 레이저 펄스로 충격을 받은 100㎛(마이크로미터)의 얇은 PET 필름을 사용했다.

약 100GPa의 압력으로 거의 3,200~5,800℃ 까지 가열되었다. 8ns(나노초) 동안 지속된 실험에서 무슨 일이 일어나고 있는지 관찰하기 위해 연구원들은 캘리포니아에서 LCLS(Linac Coherent Light Source)를 사용해 실험을 수행했다. 이 가속기 기반 X선 레이저를 사용하면 50펨토초 정도의 프로세스를 관찰할 수 있다.

연구에서 외관뿐만 아니라 DNA 수준에서도 매우 비슷했다는 연구결과 " PET"에 레이저 광을 가하면 매우 미세한 다이아몬드가 생성 될 수 있음을 확인했다.

연구자들은 별의 핵을 향해 가라앉는 과정에서 마찰열을 발생시킴으로써 행성과 위성이 예기치 않게 고온인 이유를 설명할 수 있다고 말했다.

또한, 초이온수는 고온 고압 하에서 존재할 수 있는 물질로, 물 분자가 산소 성분과 분해되어 결정 격자를 이루고, 그 안에 수소 원자핵이 자유롭게 부유하는 상태로 되어 있다고 설명했다.

수소 원자핵은 양전하를 띠고 있으며, 전류를 흘려서 자기장이 발생한다. 천왕성에서는 다이아몬드가 형성된 후에 남은 초이온수의 포켓에 전류가 흐르고 있을 가능성이 있으며, 이것이 천왕성이 바뀐 자기장(지축과 자기장의 축이 어긋난다)과 관련되어 있다는 가능성도 생각을 할수있었던 것이다.

다이아몬드는 자연계에 존재하는 광물 중에서 가장 단단한 물질이며, 경도가 가장 크다. 다이아몬드에 흠집을 낼 수 있는 건 다이아몬드밖에 없다는 말이 유명한 이유다.

바로 이 특성 덕분에 다이아몬드는 단단한 암석이나 콘크리트, 금속 등 거의 모든 물질을 깎고 자르거나 다듬는 연마재로 사용된다. 또 열전도율이 뛰어나 반도체나 광통신 소자에서 열 방출을 돕는 열방산체(thermal spreader)로도 쓰인다.

연구원들은 나노다이아몬드에 대해서 약물 전달, 비침습적 수술, 의료용 센서 등의 의료 분야나 양자기술 방면에서 응용할 수 있을 것으로 기대되고 있다.