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화학이야기

강하고 아름다운 탄소물질, 다이아몬드

2015년 1월 9일

“다이아몬드는 영원히” 다들 한 번쯤은 들어 본 광고 카피죠? 블로그지기도 블링블링한 다이아몬드, 참 좋아하는데요. 보석류 중에서도 단단함과 광채가 월등해 뭇 여성들의 마음을 사로잡는 이 돌의 다른 이름은 ‘금강석’으로, 금강불괴(金剛不壞)처럼 단단하여 부서지지 않는 돌을 의미한답니다. ‘정복할 수 없다’는 뜻의 그리스어 ‘아다마스(adamas)’에서 유래한 ‘다이아몬드’라는 영어 명칭과 일맥상통하죠? 오늘은 너무도 강하고 밝아 아무나 정복할 수 없는 이 돌에 대한 이야기를 들려 드릴게요!


연필심과 한 핏줄? 다이아몬드 탄생의 비밀

다이아몬드는 비금속원소광물로, 오직 탄소(C)로만 이뤄진 광물입니다. ‘탄소’를 생각하면 검은색을 떠올리기 마련인데요. 주변에서 흔히 볼 수 있는 연필심의 원료인 흑연 또한 탄소 원자로 구성되기 때문이죠. 하지만 모두가 알듯이 연필심은 검은 색깔부터 무른 성질까지 다이아몬드와 전혀 다른 특징을 갖고 있습니다. 똑같이 탄소로만 이루어져 있는데 이들의 운명을 갈라놓은 것은 무엇일까요?

다이아몬드와 흑연의 결정구조 차이

다이아몬드와 흑연의 결정구조 차이ⓒwikipedia.org

그 비밀은 바로 탄소의 결합 구조입니다. 조금 화학적으로 이야기를 해볼까요? 1개의 탄소 원자는 최대 4개의 다른 원자와 결합을 할 수 있는데요. 흑연은 탄소 원자가 다른 3개의 탄소 원자와 결합해 얇은 판 모양의 구조를 가집니다. 때문에 면 형태인 판 사이의 탄소결합이 쉽게 깨질 수 있죠. 반면 다이아몬드는 하나의 탄소 원자가 다른 4개의 탄소 원자들과 수평, 수직으로 치밀하게 결합한 구조입니다. 이렇게 탄탄한 구조를 갖기 위해서는 적어도 지하 150km 깊이에서 매우 높은 온도와 압력을 받아야만 해요. 오랜 시간 이러한 환경을 견디고 나서야 단단하고 영롱한 다이아몬드가 탄생할 수 있는거죠.

강도아름다움이 10점 만점에 10점

이제 중학생 시절 배웠던 내용을 복습해볼까요? 독일 광물학자인 프리드리히 모스(Friedrich Mohs)는 주위에서 쉽게 얻을 수 있는 10가지 광물들을 서로 긁어서 어느 쪽에 흠집이 나는지 관찰하여 상대적인 굳기를 10단계로 나누었습니다. 이를 ‘모스 굳기(모스 경도)’라 하는데요. 이 지표를 통해 특정 암석물질의 굳기가 대략 어느 정도인지 측정할 수 있답니다. 다들 예전에 배웠던 내용이니 기억 나시죠? 모스 굳기계 기준 다이아몬드의 굳기는 10인데요. 이는 광물 중 가장 높은 값으로, 앞서 설명했던 치밀한 3차원의 결합구조 덕분이랍니다.

열 가지 광물들의 굳기 지표 ‘모스 굳기계’

모스굳기계ⓒwikipedia.org

이렇게 단단한 돌을 보기 좋은 보석으로만 사용한다면 아쉽겠죠? 그래서 다이아몬드는 전체 생산량의 3/4이 공업용으로 사용되는데요. 결정이 작거나 불순물이 많아 상품가치가 떨어진 원석이 이에 해당합니다. 산업 분야에서 절삭 및 연마 소재로 활용하는 공업용 다이아몬드가 최근 전자, 자동차, 항공 반도체 등 정밀기술이 요구되는 첨단제품 가공에까지 쓰인다고 하니 아름다움과 강함을 동시에 지닌, 참 매력적인 돌이죠?

부적에서 결혼반지까지, 찬란한 역사

수많은 다이아몬드와 보석으로 장식된 프랑스 루이 15세의 왕관

수많은 다이아몬드와 보석으로 장식된 프랑스 루이 15세의 왕관 ⓒwikimedia.org

로마인들은 유독 아름답게 빛나는 다이아몬드를 하늘에서 떨어진 별 조각이라고 믿었습니다. 때문에 다이아몬드를 신성시하며 자신을 지켜주는 부적으로 사용했는데요. 이렇게 수 세기 동안 부적으로 사용되었던 다이아몬드는 1074년 헝가리 여왕의 왕관에 장식물로 쓰이며 보석으로 의미를 얻기 시작하였습니다. 이후 프랑스와 영국의 왕실에서도 다이아몬드를 사용하면서 그 가치가 점점 더 높아지게 되었죠.

한 남성의 손이 다른 여성의 손가락에 다이아몬드 반지를 끼워주고 있다.최초로 다이아몬드를 결혼반지로 사용한 사람은 오스트리아의 막시밀리안 대공으로 알려졌는데요. 1477년 그는 자신의 신부인 메리에게 청혼하면서 다이아몬드 반지를 주었다고 합니다. 이후 왕족과 귀족들 사이에서 인기를 끈 다이아몬드는 1940년대에야 광산 발굴이 급증하며 일반인들도 살 수 있는 보석이 되었습니다. 그리고 1947년에 이르러 드비어스 사의 ‘다이아몬드는 영원하다’는 광고 문구에 힘입어 사랑의 징표로서 널리 알려지게 되었답니다.

진짜인 듯 진짜 아닌 진짜 같은 인조 다이아몬드

한 남성이 현미경으로 다이아몬드를 보고 있다.다이아몬드의 가치가 높아지자 고대에 금을 만들어내려던 연금술사처럼 사람들은다이아몬드를 직접 만드는 방법을 연구했는데요. 1700년대 영국의 화학자 스미슨 테넌트(Smithson Tennant)는 자신의 다이아몬드를 태워서 생긴 기체를 조사한 끝에 이 반짝이는 돌이 탄소 동소체(같은 원소로 되어 있으나 모양과 성질이 다른 홑원소물질)라는 것을 알아냅니다. 그 후 다이아몬드의 최대 생산지인 남아프리카의 지질을 조사한 결과 깊은 땅속에서 고온과 고압에 의해 다이아몬드가 생성된다는 사실 또한 밝혀지면서 인조 다이아몬드를 만들기 위한 실험이 더욱 활발히 이루어졌답니다.

(좌)인조 다이아몬드, (우)발트자르 폰 플라텐

(좌)인조 다이아몬드, (우)발트자르 폰 플라텐ⓒwikipedia.org

마침내 1953년, 스웨덴 전기회사 ASEA에서 발트자르 폰 플라텐(Baltzar von Platen)의 비밀 연구팀이 첫 인조 다이아몬드를 만드는 데에 성공합니다. 그리고 1954년 미국의 제너럴일렉트릭(GE)이 인조 다이아몬드를 제작해 팔기 시작했죠. 기술에 의해 대량으로 생산되는 다이아몬드, 가짜라고 느껴지시나요? 하지만 저렴한 인조 다이아몬드는 천연 다이아몬드와 똑같은 원자구조와 특성을 가진 덕분에 액세서리의 포인트 보석으로, 공업용 장비의 부품으로 쓰이며 다이아몬드 대중화에 기여한 ‘진짜같은 가짜’랍니다!

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