과학자들은 열이나 압력 없이 다이아몬드를 만들 수 있는 방법을 발견했다.

과학자들은 열과 압력을 가하는 대신 전자빔을 사용하여 다이아몬드를 만드는 새로운 방법을 발견했습니다. 출처: AI/ScienceDaily.com

도쿄대학교 과학자들과 공동 연구진은 놀라운 장점을 지닌 인공 다이아몬드를 형성하는 새로운 접근법을 개발했습니다. 탄소 기반 샘플을 신중하게 준비한 후 전자빔에 노출시킴으로써, 연구진은 이 공정이 재료를 다이아몬드로 변환할 뿐만 아니라 섬세한 유기 물질을 전자빔 손상으로부터 보호한다는 것을 발견했습니다. 이러한 발전은 재료 과학 및 생물학 분야에서 향상된 이미징 및 분석 방법을 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다.

전통적으로 다이아몬드 생산은 다이아몬드 형태가 안정된 상태에서 탄소를 엄청난 압력과 온도에서 변환하거나, 그렇지 않은 상태에서 화학 기상 증착법을 사용하는 방식을 사용합니다. 도쿄대학교 화학과의 나카무라 에이치 교수와 그의 연구팀은 다른 방식을 택했습니다. 그들은 아다만탄(C10H16)이라는 분자에 전자를 제어하여 조사하는 저압 기술 을 시험 했습니다.

아다만탄은 다이아몬드의 사면체 구조를 반영하는 탄소 골격을 가지고 있어 나노다이아몬드를 형성하는 데 매력적인 출발 물질입니다. 그러나 아다만탄을 다이아몬드로 변환하기 위해 과학자들은 수소 원자(CH 결합)를 정밀하게 제거하고 탄소-탄소(CC) 결합으로 대체하여 원자를 3차원 다이아몬드 격자로 배열해야 합니다. 이 반응 경로는 이론적으로는 알려져 있었지만, 나카무라는 "진짜 문제는 아무도 이것이 실현 가능하다고 생각하지 않았다는 것입니다."라고 설명했습니다.

실시간으로 다이아몬드 형성 관찰

질량 분석법을 이용한 이전 연구에서는 단일 전자 이온화가 CH 결합을 분해하는 데 도움이 될 수 있음을 시사했지만, 이 방법은 기체 상태의 구조만 추론할 수 있었고 고체 생성물을 분리할 수 없었습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 나카무라 연구팀은 원자 분해능으로 물질을 이미징할 수 있는 도구인 투과 전자 현미경(TEM)을 활용했습니다. 그들은 작은 아다만탄 결정을 진공 상태에서 100~296켈빈의 온도에서 80~200킬로전자볼트의 전자빔에 몇 초 동안 노출시켰습니다.

이 실험을 통해 연구팀은 나노다이아몬드 형성 과정을 직접 관찰할 수 있었습니다. 전자 조사가 중합 및 재구조화를 어떻게 촉진하는지 보여주는 것 외에도, 이 실험은 다른 유기 분자의 제어된 반응을 연구하는 데에도 TEM이 활용될 수 있음을 보여주었습니다.

합성 및 계산화학 분야에서 수십 년간 연구해 온 나카무라에게 이 프로젝트는 오랜 숙원이었던 목표의 정점을 이루었습니다. "계산 데이터는 '가상' 반응 경로를 제공하지만, 저는 직접 눈으로 확인하고 싶었습니다."라고 그는 말했습니다. 많은 사람들이 전자빔이 유기 분자를 파괴할 것이라고 생각했지만, 나카무라가 2004년부터 끈기 있게 연구한 결과, 적절한 조건 하에서는 안정적이고 예측 가능한 반응을 유발할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다.

빔 아래에 나노다이아몬드 구축

장시간 노출 후, 이 공정은 입방정계 결정 구조와 최대 10나노미터 직경을 가진 거의 완벽한 나노다이아몬드를 생성했으며, 수소 가스도 방출되었습니다. TEM 이미징은 아다만탄 분자 사슬이 점진적으로 구형 나노다이아몬드로 변환되는 과정을 보여주었으며, 반응 속도는 CH 결합의 절단에 의해 제어되었습니다. 다른 탄화수소는 동일한 결과를 생성하지 못했는데, 이는 아다만탄이 다이아몬드 성장에 매우 적합하다는 것을 보여줍니다.

이 발견은 전자 리소그래피, 표면 과학, 현미경 등의 분야에서 화학 반응을 조작하는 데 새로운 가능성을 열어줍니다. 연구진은 또한 유사한 고에너지 조사 과정이 운석이나 우라늄이 풍부한 암석에서 다이아몬드가 자연적으로 형성되는 방식을 설명할 수 있을 것이라고 제안합니다. 더 나아가, 이 방법은 양자 컴퓨팅과 첨단 센서의 핵심 구성 요소인 도핑된 양자점의 제작에도 도움이 될 수 있습니다.

20년 만에 이룬 꿈

나카무라는 이 획기적인 발견을 회고하며, 이를 20년 비전의 실현이라고 표현했습니다. "이 다이아몬드 합성 사례는 전자가 유기 분자를 파괴하는 것이 아니라, 방사선을 조사할 분자에 적절한 특성을 부여하면 잘 정의된 화학 반응을 일으킬 수 있다는 것을 보여주는 최고의 사례입니다."라고 그는 말했습니다. 그의 업적은 과학자들이 전자빔을 사용하는 방식을 영구적으로 바꾸어 방사선 조사 하에서 일어나는 화학적 변형을 더욱 명확하게 보여줄 수 있을 것입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/10/251029002917.htm