지구상에서 가장 단단한 재료는 무엇입니까?다이아몬드보다 한 수 위인 여섯 가지 재료가 있습니다.

[백산]

지구상에서 가장 단단한 재료는 무엇입니까?다이아몬드보다 한 수 위인 여섯 가지 재료가 있습니다.

출처 중국 시나과학기술신문  소스: 동북아문물감정연구원

　　시나과학기술신문은 23일(현지시간) 외신 보도에 따르면 탄소는 자연에서 가장 기묘한 원소 중 하나로 다른 원소와 다른 화학적, 물리적 성질을 가지고 있다고 합니다.탄소 원자핵에는 6개의 양성자만 있는데, 이는 복잡한 화학 결합을 형성할 수 있는 원소 중 가장 가볍습니다.탄소 원자가 동시에 최대 4개의 원자와 화학 결합을 형성할 수 있기 때문에 알려진 모든 생명 형태는 탄소를 기반으로 합니다.고압에서 탄소는 다른 탄소 원자와 결합하여 안정적인 격자 구조를 형성할 수도 있습니다.조건이 맞는다면 탄소 원자는 우리가 잘 알고 있는 다이아몬드로 알려진 매우 튼튼하고 초강력한 구조도 형성할 수 있습니다.

　　다이아몬드는 전 세계에서 가장 단단한 물질로 알려져 있지만, 사실 다이아몬드보다 한 수 위인 여섯 가지 재료가 있습니다.물론 다이아몬드는 여전히 지구상에서 가장 단단한 천연 재료 중 하나이지만, 결국 이 여섯 가지 물질과 비교하기는 어렵습니다.
 

　　지구에는 세 가지 물질이 있는데, 다이아몬드만큼 단단하지는 않지만 여러모로 뛰어난 성능을 보여 여전히 언급할 가치가 있습니다.나노기술의 발달과 나노미터 스케일의 현대 물질에 대한 이해가 깊어짐에 따라, 우리는 이제 이러한 극단적인 물질의 특성을 평가하기 위해 다양한 지표를 사용할 수 있다는 것을 깨달았습니다.

　　생물계부터 말씀드리겠습니다.거미줄은 미움을 사지만 사실 매우 강인한 재료입니다.강도와 무게는 알루미늄, 철과 같은 전통적인 재료보다 훨씬 우수하며 매우 얇고 점도가 높습니다.전 세계의 모든 거미 중에서 다윈이 부르는 거미는 가장 강력한 거미줄로 케블랄 합성섬유의 10배에 달합니다.게다가 이 거미줄은 1파운드(454g)만으로도 지구를 한 바퀴 돌기에 충분할 정도로 얇습니다.

　　탄화규소라는 천연 물질의 경도는 다이아몬드보다 약간 낮습니다.1893년 이래로 탄화규소 입자는 대규모로 생산되었습니다.규소와 탄소는 동족 원소이며, 소결이라는 처리를 통해 고압이지만 상대적으로 저온인 조건에서 이 매우 단단한 물질을 형성할 수 있습니다.

　　이러한 재료는 브레이크 패드 및 클러치, 방탄복, 탱크 장갑 등과 같이 경도에 대한 요구 사항이 높은 다양한 경우에 적합할 뿐만 아니라 우수한 반도체 특성을 가지므로 전자 부품 생산에도 중요한 역할을 합니다.

　　약 20년 전 과학자들은 지름 2나노미터에서 50나노미터까지 다양한 나노 실리콘 공을 처음 개발했습니다.가장 놀라운 것은 이 나노구들이 속이 비어 있어서 스스로 공 모양으로 결합할 수 있을 뿐만 아니라 서로 중첩될 수 있다는 것입니다.이것은 또한 인간이 알고 있는 가장 단단한 물질 중 하나이며, 경도 역시 다이아몬드에 뒤떨어지지 않습니다.

　　자체 조립은 자연에서 매우 강력한 도구이지만 합성 재료에 비해 생물학적 재료는 이와 관련하여 취약합니다.이러한 자가 조립 나노 입자는 더 나은 성능의 물 필터, 더 효율적인 태양 전지, 더 빠른 촉매 또는 차세대 전자 장치와 같은 맞춤형 재료를 만드는 데 사용할 수 있습니다.그러나 가장 이상적인 응용 시나리오는 사용자의 몸에 따라 '맞춤 인쇄'되는 방탄복입니다.

　　가장 유명한 고경도 재료

　　물론 위에서 언급한 재료의 경도는 다이아몬드에 필적할 수 없습니다.다이아몬드는 지구에서 발견되거나 창조된 모든 물질 중에서 일곱 번째로 단단합니다.일부 천연 소재와 합성 소재는 다이아몬드를 능가하는 경도를 가지고 있지만 다이아몬드의 위상은 여전히 흔들리지 않습니다.

　　다이아몬드는 여전히 인류가 알고 있는 가장 내구성 있는 재료이기도 합니다.티타늄과 같은 금속은 다이아몬드에 비해 크게 다를 뿐 아니라, 경도가 매우 높은 세라믹이나 탄화물도 경도나 스크래치에 있어서 다이아몬드에 비할 바가 못 됩니다.기타 경도로 유명한 결정, 예를 들면 루비나 사파이어도 모두 다이아몬드의 수준에 미치지 못합니다.

　　하지만 이미 경도에서 다이아몬드를 물리친 재료는 여섯 가지가 있습니다.

　　제6종, 섬아연광형 질화붕소

　　탄소 외에도 많은 다른 원자나 화합물이 결정을 형성할 수 있으며 질화붕소도 그 중 하나입니다.붕소와 질소는 주기율표에서 각각 5위와 7위를 차지하며, 두 원소의 조합은 비정질, 육방정계(흑연과 유사), 입방체(다이아몬드와 유사하지만 구조적 강도가 약간 낮음) 및 섬유질 및 아연 광석을 포함하여 다양한 가능성을 생성할 수 있습니다.

그 중 마지막 형태는 매우 극단적이지만 매우 단단합니다.이 물질은 화산 폭발 과정에서 형성되며, 지금까지 극소량만 발견되었기 때문에 우리는 실험을 통해 그 경도를 측정할 수 없습니다.그러나 최신 시뮬레이션 결과에 따르면 다이아몬드보다 18% 더 높은 경도를 갖는 사면체에 속하는 다양한 유형의 격자 구조를 형성할 수 있습니다.

　　제5종, 블루스달라이트

　　사진은 포피게 분화구에서 발견된 다이아몬드 2개.왼쪽은 순수한 다이아몬드, 오른쪽은 다이아몬드와 소량의 블루스틸라이트의 혼합물입니다.불순물이 전혀 포함되지 않은 블루스틸라이트가 있다면 그 강도와 경도는 순수한 다이아몬드보다 뛰어날 것입니다.
　　탄소가 풍부한 운석이 대기권을 뚫고 질주해 지표면과 충돌하는 것을 상상합니다.고속으로 떨어지는 운석은 안에서부터 뜨겁게 달궈진다고 생각할 수도 있지만, 사실 운석은 바깥쪽만 뜨거워지고 내부 온도는 여전히 낮습니다.

　　그러나 지표면과 충돌하는 순간 운석 내부에 가해지는 압력이 지표면의 어떤 반응 과정보다 높아져 운석 안의 흑연이 또 다른 결정 구조로 압축됩니다.이 새로운 구조는 다이아몬드와 같은 입방체가 아니라 경도가 다이아몬드보다 58% 높은 육방정계에 속합니다.블루스틸라이트는 실제로 불순물이 많이 포함되어 있어 화석보다 경도가 낮은 경우가 많지만, 이론적으로 불순물이 전혀 들어있지 않은 순수한 흑연으로 이루어진 운석이 지표에 부딪히면 지구상의 모든 다이아몬드보다 훨씬 강한 물질을 생성할 수 있습니다.

　　제4종, 힘마

사진은 힘마 로프의 최근 모습.힘마는 현재 인류가 알고 있는 가장 강도가 센 섬유 재료입니다.
　　여기서부터 우리는 천연 물질의 범주를 벗어납니다.힘마는 분자량이 매우 높은 열가소성 폴리에틸렌 고분자입니다.우리가 아는 대부분의 분자는 수천 원자 질량 단위에 불과하지만 초고분자량 폴리에틸렌의 분자 사슬은 매우 길며 한 분자의 무게는 수백만 원자 질량 단위에 도달할 수 있습니다.

　　이렇게 긴 분자 사슬을 가지고 있으면 분자 간의 상호 작용도 크게 향상되고 형성된 물질의 경도는 당연히 과소 평가될 수 없습니다.실제로 이 소재는 알려진 모든 열가소성 플라스틱 중 가장 강력한 섬유로 불리며 시중에 나와 있는 모든 앵커로프 및 견인로프보다 성능이 우수하고 무게가 물보다 가벼울 뿐만 아니라 방탄 효과도 있으며 같은 양의 강철보다 15배나 강도가 높습니다.

　　제3종 팔라듐 미합금 유리

　　사진은 팔라듐 금속 유리의 변형 부위의 매크로 사진으로 광범위한 가소성 변형을 알 수 있습니다.확대도의 화살표가 가리키는 곳은 플라스틱 슬라이딩 시 전단 전위의 흔적입니다.팔라듐 마이크로 합금은 고강도와 고인성을 가장 잘 결합한 것으로 알려진 물질입니다.
　　모든 물리적 재료에는 강도와 인성이라는 두 가지 중요한 특성이 있는데, 강도는 재료를 변형시키는 데 필요한 힘을 나타내고, 인성은 재료를 파열시키거나 파괴하는 데 필요한 힘을 나타냅니다.대부분의 세라믹 재료는 강도가 높고 인성이 부족하여 너무 꽉 조이거나 부주의로 떨어뜨리면 쉽게 부서지는 반면 고무와 같은 탄성 재료는 정반대이며 쉽게 부서지지 않지만 변형되기 쉽고 경도가 매우 낮습니다.

　　대부분의 유리 재료는 취약하고 강도가 높으며 인성이 낮습니다.파이렉스나 코닝 글라스 같은 강화유리도 재료 자체로는 인성이 충분히 높지 않습니다.그러나 2011년에 연구자들은 인, 규소, 게르마늄, 은, 팔라듐의 5가지 원소를 포함하는 새로운 유형의 미세합금 유리를 발명했으며, 그 중 팔라듐 원소는 전단 밴드를 형성하여 유리가 직접 파열되지 않고 힘을 받을 때 소성 변형을 겪을 수 있습니다.이 소재는 높은 강도와 인성을 결합하여 모든 종류의 철강을 쉽게 이길 뿐만 아니라 목록에 있는 다른 소재와 비교할 수 없습니다.간단히 말해서, 이것은 세계에서 가장 단단한 탄소 없는 물질입니다.

　　제2종, 바키 페이퍼

　　탄소나노튜브로 만든 바키종이는 직경 50나노미터 이상의 입자가 통과하는 것을 막아줍니다.그것은 독특한 물리적, 화학적, 전기적 및 기계적 특성을 가지고 있습니다.접거나 자를 수 있지만 재료의 강도가 매우 높습니다.불순물이 전혀 없다면 강도는 같은 부피의 강철보다 500배 더 강할 수 있습니다.사진은 주사전자현미경으로 찍은 바키종이.
　　탄소나노튜브라는 물질은 20세기 말 이후 '다이아몬드보다 단단하다'는 명성을 누렸습니다.이 물질은 육방정계 결정에 속하며 구조가 전체적으로 타원형이고 안정성이 인간에게 알려진 어떤 구조보다 우수합니다.탄소나노튜브를 대량으로 조합해 평면을 만들면 바키 페이퍼라는 얇은 '종이'를 얻을 수 있습니다.

　　바키 종이 외에도 바키 공이라는 똑같은 단단한 구조가 있는데, 60개의 탄소 원자가 결합하여 이루어져 있습니다.바키볼도 특정 우주 환경에서 형성될 수 있는 천연 재료인 셈입니다.바키볼은 나노 분야에서 사용되어 왔지만 아직 정량적 생산이 이루어지지 않았고 당분간 거시적 규모에서 실력을 발휘할 수 없기 때문에 이 '가장 단단한 재료 목록'에 포함되지 않았습니다.

　　이에 비해 바키지를 구성하는 각 나노튜브는 직경이 2~4나노미터에 불과하지만, 이 구조는 매우 강인하여 넓은 면적의 얇은 시트 형태의 물질로 결합할 수 있습니다.무게는 강철의 10%에 불과하지만 강도는 수백 수천 배나 높습니다.또한, 이 재료는 내화성, 높은 열전도 효율 및 뛰어난 전자기 차폐 능력을 가지고 있으며 재료 과학, 전자 부품, 군사, 심지어 생물학적 분야에서 풍부한 응용 전망을 가지고 있습니다.그러나 바키지는 나노튜브로 100% 구성할 수 없어 1위를 차지하지 못했습니다.

　　1종, 그래핀

　　마지막으로 탄소 원자로 구성된 육방정계 격자 구조인 그래핀을 원자 두께만큼 두껍게 만들어 보겠습니다.시트형 그래핀이 성공적으로 제조되면 21세기 가장 혁명적인 소재가 될 것으로 기대됩니다.그래핀은 사실 탄소나노튜브의 가장 기본적인 구조적 요소이며 응용 분야가 매우 광범위합니다.이 산업의 시장 가치는 현재 수백만 달러에 불과하지만 수십 년 안에 10억 수준에 도달할 것으로 예상됩니다.

동일한 두께로 볼 때 그래핀은 현재 알려진 가장 강도가 센 물질로 비할 데 없는 열전도성과 전도성을 가지고 있으며 광투과율은 100%에 가깝습니다.2010년 노벨 물리학상은 안드레이 겜과 콘스탄틴 노보셀로프에게 수여되어 그래핀에 대한 실험을 장려했습니다.그래핀의 상업적 응용 시나리오도 증가할 뿐 줄지 않습니다.지금까지 그래핀은 여전히 우리가 알고 있는 가장 얇은 소재입니다.게다가 겜과 노보셀로프는 연구부터 수상까지 6년밖에 걸리지 않아 물리학계에서 가장 빠른 기록 중 하나였습니다.

　　더 단단하고, 더 강하고, 더 얇고, 더 단단한 재료에 대한 추구는 끝이 없을 것입니다.인간이 사용 가능한 재료의 최전선을 더욱 촉진할 수 있다면 이러한 재료의 응용 시나리오도 계속 증가할 것입니다.몇 세대 전까지만 해도 마이크로일렉트로닉스, 트랜지스터, 그리고 개별 분자를 조작한다는 개념은 공상과학 소설에만 존재했습니다.오늘날 이러한 기술은 오래전부터 평범한 사람들의 집에 유입되어 우리가 흔히 생각하는 것이 되었습니다.

　　우리가 나노 시대에 진입하기 위해 최선을 다함에 따라 이 기사에 소개된 이러한 물질은 우리의 삶의 질에 점점 더 중요해지고 더 흔해질 것입니다.이런 문명 속에서 생활하는 것은 정말 즐거운 일입니다.21세기의 청사진이 서서히 전개됨에 따라 이러한 신소재의 엄청난 잠재력도 점차 현실화될 것입니다.