플라스틱 병으로 나노 다이아몬드를 만든다?

출처: HZDR/Blaurock

플라스틱 박막에 레이저 조사, 다이아몬드 생성

여러분은 해왕성과 천왕성과 같은 행성 내부에서 무슨 일이 일어나고 있을지 상상이 가시나요? 이를 확인하기 위해 독일의 Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)와 Rostock 대학 및 프랑스 에콜 폴리테크니크(École Polytechnique)가 이끄는 국제 연구팀이 새로운 실험을 수행했습니다. 연구팀은 단순한 PET 플라스틱 박막에 레이저를 발사하고 집중 레이저 플래시를 사용하여 무슨 일이 일어났는지 조사했는데요, 이 실험으로부터 얻은 중요한 결과 중 하나는 얼음 거인 (수소와 산소보다 무거운 물질로 이루어진 행성을 말하며, 우리 행성계에서 해왕성과 명왕성이 속함) 내부에 실제로 다이아몬드 비가 내린다는 이론을 확인할 수 있었다는 것입니다. 그리고 이를 통해 고감도 양자 센서에 필요한 나노 다이아몬드를 생산하는 새로운 방법을 확립할 수 있다는 것을 확인하였습니다.

해왕성과 천왕성과 같은 얼음 거인 행성의 내부 조건은 극단적입니다. 온도는 섭씨 수천 도에 달하고 압력은 지구 대기보다 수백만 배 더 높습니다. 이런 극적인 조건을 실험실에서는 생각보다 간단히 모사할 수 있습니다. 어떻게 하냐고요? 강력한 레이저 섬광이 필름과 같은 재료 샘플을 치고 눈 깜짝할 사이에 섭씨 6,000도까지 가열하고 몇 나노초 동안 재료를 압축하는 대기압의 백만 배에 달하는 충격파를 생성합니다.  "지금까지 우리는 이러한 종류의 실험에 '탄화수소 필름'을 사용했습니다."라고 HZDR의 물리학자이자 Rostock 대학의 교수인 Dominik Kraus가 설명합니다. "그리고 우리는 이 극한의 압력이 나노다이아몬드로 알려진 작은 다이아몬드를 생성한다는 것을 발견했습니다."

연구의 핵심적 요소, 산소 그리고 플라스틱 병 수지

그러나 이 탄화수소 필름을 사용하여 행성의 내부를 모사하는 것은 한계가 있었습니다. 해왕성과 천왕성과 같은 행성에는 탄소와 수소뿐만 아니라 엄청난 양의 산소도 포함되어 있기 때문입니다. 적절한 필름 재료를 수소문한 끝에, 연구팀은 일상적인 물질인 PET, 즉 일반 플라스틱 병을 만드는 수지를 찾았습니다. "PET는 탄소, 수소 및 산소 사이의 균형이 잘 잡혀 있어 얼음 행성의 활동을 시뮬레이션합니다."라고 Kraus는 설명합니다. 연구팀은 강력한 가속기 기반 X선 레이저인 LCLS(Linac Coherent Light Source)가 있는 캘리포니아의 SLAC 국립 가속기 연구소에서 실험을 수행했습니다. 그들은 두 가지 측정 방법을 동시에 사용하여 집중적인 레이저 섬광이 PET 필름에 부딪힐 때 어떤 일이 발생하는지 분석하는 데 사용했습니다. 다이아몬드가 자랐습니다.

"산소의 효과는 탄소와 수소의 분리를 가속화하여 나노 다이아몬드의 형성을 촉진하는 것이었습니다."라고 Dominik Kraus는 결과에 대해 보고했습니다. "그것은 탄소 원자가 더 쉽게 결합되어 다이아몬드를 형성할 수 있다는 것을 의미했습니다." 이것은 문자 그대로 해왕성과 천왕성 내부에 다이아몬드 비가 내린다는 가정을 뒷받침합니다. 이번 발견은 아마도 얼음 거인(천왕성과 해왕성)뿐만 아니라 우리 은하의 수많은 다른 행성에도 관련이 있을 것입니다. 그러한 얼음 거인들은 예전에는 희귀한 것으로 생각되었지만, 태양계 외부에서는 가장 흔한 형태의 행성이라고 추측되고 있습니다.

연구팀은 또한 다른 종류의 힌트를 발견했습니다. 다이아몬드와 함께 물이 생성되는 특이한 변형을 발견하였습니다. "소위 초이온수가 형성되었을 수 있습니다"라고 Kraus는 말합니다. "산소 원자는 수소 핵이 자유롭게 움직이는 결정격자를 형성합니다." 핵은 전하를 띠기 때문에 초이온수는 전류를 전도하여 얼음 거인의 자기장을 생성하는 데 도움이 됩니다. 그러나 그들의 실험에서 다이아몬드와 혼합된 초이온수의 존재를 아직 명백하게 증명하지 못했습니다. 이것은 세계에서 가장 강력한 X선 레이저인 함부르크의 European XFEL에서 Rostock 대학과의 긴밀한 협력을 통해 이루어질 예정입니다. 그곳에서 HZDR은 이러한 종류의 실험에 이상적인 조건을 제공하는 국제 사용자 컨소시엄 HIBEF를 이끌고 있습니다.

 

응용 분야

이 연구 결과는 연마제 및 연마제에 이미 포함된 나노미터 크기의 다이아몬드를 맞춤형으로 생산하는 새로운 기술 적용에 대한 전망을 열어줍니다. 미래에는 예를 들어 CO2를 분해하기 위해 고감도 양자 센서, 의료용 조영제 ​​및 효율적인 반응 가속기로 사용될 것으로 예상됩니다. "지금까지 이런 종류의 다이아몬드는 주로 폭발물을 폭발시켜 생산되었습니다."라고 Kraus는 설명합니다. "레이저 플래시의 도움으로 미래에 훨씬 더 깨끗하게 제조될 수 있습니다."

 

* 원본 기사: https://www.sciencedaily.com/releases/2022/09/220902154911.htm

* 논문 보기: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo0617