다이아몬드 인공적으로 만들기까지

헤프닝으로 끝난 무아상의 다이아몬드 호프 다이아몬드. 공식적으로 최초로 다이아몬드의 합성에 성공했다고 말한 사람은 영국의 화학자 하네이다. 그는 1880년에 뼈 기름과 파라핀의 혼합물에 금속 리듐을 첨가하여 철제 기밀용기에 봉입하고 가열했더니 미량의 딱딱하고 투명한 다이아몬드 조각이 용기의 벽에 붙어 있었다고 발표했다. 그는 생성된 물질의 비중과 탄소의 함량(98.75퍼센트)이 다이아몬드와 같음을 근거로 다이아몬드로 단정하였지만 많은 학자들이 농담으로 받아들였다. 그러나 1896년에 프랑스의 화학자 무아상이 다이아몬드를 합성했다고 발표했다. 그는 플루오르를 처음으로 원소 상태에서 추출하는데 성공하여 1902년에 노벨 화학상을 받았던 저명한 과학자였다. 무아상의 다이아몬드 합성은 플루오르를 연구하는 과정에서 얻은 연구 결과를 일보 전진시킨 것이다. 탄소의 플루오르화합물을 처음으로 합성한 그는 이 화합물에서 플루오르를 제거하면 탄소가 다이아몬드의 형태로서 남게 된다고 생각했다. 그러나 그의 시도가 모두 실패로 돌아가자 다이아몬드가 천연으로 산출될 때의 환경을 그대로 모방하면 다이아몬드를 그대로 만들 수 있다고 생각을 바꾸었다. 그는 다이아몬드 광맥에서 채취한 모래자갈에서 다이아몬드의 미립자 이외에 고온의 조건에서 생기는 그래파이트(순수한 탄소)가 섞여 있는 것을 발견하고 고온이 필수적임을 인지했다. 또한 다이아몬드를 연소시킨 후에 남는 회분(灰分) 속에 철이 있다는 것을 발견한 그는 자신이 개발한 강력한 전기로에 철과 탄소를 섞어 녹인 후 이것을 갑자기 찬물에 넣어 수축시켜 강한 압력을 발생시켰다. 다음에 철을 산에 녹였더니 다이아몬드 결정이 만들어졌다는 것이다. 사람들은 그의 발표를 의심하지 않았다. 그러나 미국의 물리학자 로시니는 16,000기압 이상이 되어야만 다이아몬드와 그래파이트가 만들어지는데 무아상의 전기로에서 얻어지는 압력은 3천 기압 정도이므로 다이아몬드가 생성되지 않았을 것이라고 단언했다. 곧바로 무아상이 다이아몬드를 합성했다는 발표의 진위 여부에 관한 논쟁이 붙었다. 무아상이 정말로 다이아몬드를 합성했느냐를 확인하기 위해 그가 합성했다는 다이아몬드를 찾았지만 불행하게도 무아상의 다이아몬드는 존재하지 않았다. 무아상의 다이아몬드 합성의 진상은 추후에 알려졌다. 무아상이 다이아몬드 합성에 너무나 열중하는 것을 안타깝게 생각한 한 조수가 전기로에 천연 다이아몬드를 몰래 넣었다는 것이다. 반면에 1943년에 브래그 부자에 의해 개발된 X선 결정 해석방법을 사용하여 론즈델(D.K. Lonsdall)이 인공 다이아몬드를 합성했다는 하네의 시료를 검사한 결과 그 대부분이 다이아몬드인 것이 확인됐다. 지금도 하네가 어떻게 해서 인공 다이아몬드를 만들었는지를 추적하는 학자들이 있다. 다이아몬드 만들다 노벨상 수상 다아이몬드를 만들려다 실패했지만 그 공로로 노벨상을 수상한 브리지먼 교수. 하버드대학 물리학교수 브리지먼(Percy Williams Bridgman)도 다이아몬드 합성에 도전했다. 그는 고압연구로만 50여 년을 투자한 결과 고압을 몇 단계로 높이는 획기적인 업적을 이루었다. 그는 1910년에 이미 2만 기압 이상에 도달할 수 있는 초고압 압축기를 개발하여 실온에서도 얼음 상태의 물을 만드는데 성공하였다. 1930년대에는 40만 기압도 기록했다. 이 압력이 얼마나 높은가는 지구 내부의 11.3킬로미터 지점에서의 압력이 1,000기압이고 640킬로미터에서 20만 기압이라는 것을 비교해 보면 알 수 있다. 그러나 그 역시 다이아몬드 생성에는 실패하여 단 한 알의 다이아몬드 결정도 만들어내지 못했다. 그의 야심작인 초고온 압축기를 3천도의 고온 상태로 가동시킨 후 다이아몬드 합성을 시도했지만 다이아몬드는 만들어지지 않았다. 인공 다이아몬드를 얻는데는 실패하였지만 브리지먼은 「초고압 압축기 발명과 이를 사용한 고압 물리학 연구」로 1946년에 노벨 물리학상을 받았다. 그는 '실패한 연구로 노벨상을 수상한' 예외적인 학자가 되었는데 그가 노벨상을 수상한 이유는 당초 그가 목표로 했던 인공 다이아몬드는 얻지 못했지만 인공 다이아몬드를 합성하는 기반을 닦는데 큰 공헌을 했기 때문이다. 고온, 고압, 촉매로 인공다이아몬드 성공 달걀 크기만한 다이아몬드 원석. 과학자들의 집념은 끈질겨 결국 제너럴일렉트릭 사가 본격적인 물량과 인력을 투입한 끝에 압력 10만 기압, 2,700도의 높은 온도에서 니켈을 촉매로 하여 인공 다이아몬드를 얻는데 성공했다. 그 후 압력과 온도가 내려가 6만 기압, 온도는 1,700～1,800도의 비교적 쉬운 조건에서 인공 다이아몬드를 얻을 수 있었다. 일본도 다이아몬드 경쟁에 뛰어 들어 니켈과 게르마늄을 촉매로 삼아 3만 기압, 800도라는 훨씬 간단한 조건에서 인공 다이아몬드를 만드는데 성공을 했다. 제너럴일렉트릭 사의 연구팀은 계속해서 인공 다이아몬드의 효능을 높이는 연구를 했다. 그들은 탄소에 탄소12와 탄소13의 동위원소가 있다는 것에 착안했다. 다이아몬드를 비롯해 모든 탄소는 탄소12가 99퍼센트이고 탄소13이 1퍼센트이다. 탄소13은 탄소12보다 질량이 8퍼센트 정도 무겁고 화학적 성질은 같다. 학자들은 다이아몬드에 열을 통과시킬 때 탄소13 때문에 전달속도가 떨어진다는 것을 발견하고 동위원소를 분리하는 방법을 개발했다. 1988년 제너럴일렉트릭 사의 반홀저 팀은 드디어 탄소12로만 된 인공 다이아몬드를 합성했다. 이 다이아몬드는 천연 다이아몬드보다 열을 50퍼센트 더 잘 전달하며 방사선에도 10배나 더 잘 견딘다. 슈퍼 다이아몬드가 탄생한 것이다. 물론 슈퍼 다이아몬드는 천연다이아몬드보다도 가격이 비싸기 때문에 아직 광범위하게 사용되지는 못하고 있지만 고효율의 전자제품에서 많이 사용될 것으로 예측한다. 오늘날 사용되는 다이아몬드 중 약 80퍼센트는 합성된 인공 다이아몬드로 그 생산량은 매년 100톤이 넘는다. 그러나 인공 다이아몬드는 오로지 산업용으로만 사용되고 보석으로는 사용되지 않는다.