[비센의 재미있는 과학 이야기]

 

동소체인 흑연과 다이아몬드 성질 이용해 인공 다이아몬드 성공, 산업용으로 널리 쓰여

 

1772년 어느 볕 좋은날, 많은 사람들이 광장 한가운데에 설치된 괴기한 장치 주위로 모여들었습니다.

 

커다란 연단과 같이 생긴 판 위에 두개의 커다란 볼록렌즈를 설치하여 햇빛을 강하게 한점으로 모을 수 있게 만들어진 이 장치는 '근대 화학의 아버지'라고 불리우는 프랑스 화학자 앙투안 라부아지에(Antoine-Laurent de Lavoisier, 1743-1794)가 다이아몬드를 사라지게 만들겠다며 제작한 장치였습니다.

 

많은 관중들의 관심이 집중된 가운데 라부아지에는 장담한 것과 같이 다이아몬드를 사라지게 하는 실험을 성공합니다. 볼록렌즈를 통해 햇빛이 집중된 초점에 다이아몬드를 놓자, 햇빛에 의해 달구어진 다이아몬드는 점점 빨갛게 달아오르다가 결국 촛불이 꺼지는 것과 같이 엷은 연기를 공기 중으로 퍼트리며 아무것도 남기지 않고 사라져 버린 것입니다.

 

‘절대로 정복되지 않는다’라는 의미의 아다마스(adamas)에서 유래한 이름의 다이아몬드가 뜨거운 햇볓 아래에서 한 과학자에 의해 정복되어 사라져 버렸으니, 사람들이 깜짝 놀란건 당연한 일이었을 것입니다.

 

루비나 사파이어와 같은 보석들에 열을 가하면 붉게 달아오르기는 하지만, 다이아몬드처럼 사라져 버리지는 않으니 '보석 중에 최고'라는 다이아몬드에게는 자존심 상하는 일인듯 싶습니다.

 

물체가 ‘탄다’라는 현상, 즉 연소(combustion)과정에 대해서 폭넓은 방법으로 연구를 계속해 오고 있던 라부아지에는 물체가 연소하기 위해서는 공기가 있어야 한다는 사실을 인지하고 있었습니다.

 

지금은 연소를 일으키는 것은 공기 중의 산소라는 사실을 잘 알고 있지만, 당시에는 정확히 산소인지는 몰랐고, 다만 공기가 없다면 연소가 일어나지 않는다는 것을 알고 있었던 것입니다.

 

다른 많은 물질들과 비슷하게 공기 중에서 열을 가하면 다이아몬드 역시 타서 없어진다는 것을 확인한 라부아지에는 두번째 실험으로 공기를 제거하고서 다이아몬드에 열을 가하는 실험을 해보는데, 이 두번째 실험의 결과는 다이아몬드가 연기로 사라지는 것보다 더 흥미로운 결과를 보입니다.

 

공기, 즉 산소가 없기 때문에 다이아몬드가 연소되지는 않지만, 붉게 달아 오른 다이아몬드가 그 투명함을 잃고 시커먼 가루 덩어리로 변해버렸는데, 이 시커먼 가루가 바로 흑연 덩어리였습니다. 고가의 다이아몬드를 흔하고 흔한 연필심으로 만들어 버린 것입니다.

 

이렇게 다이아몬드가 불에 타 없어지고, 흑연으로 변신이 가능한 이유는 다이아몬드와 흑연이 모두 탄소로 이루어진 동소체(구성 성분이 동일한 화합물)이기 때문입니다.

 

다이아몬드와 흑연은 모두 순수한 탄소 덩어리인데, 탄소원자들간의 결합구조에 따라서 흔한 연필심이 되기도 하고, 값비싼 보석이 되기도 하는 것입니다. 흑연은 탄소 결정이 층을 이루고 있는 층상구조를 갖기 때문에 층과 층 사이의 결합력이 약해서 잘 깨지는 반면, 다이아몬드는 반복되는 결정구조가 얼키설키 얽혀있는 구조를 갖고 있어서 쉽게 깨지지 않는 단단한 물리적 특성을 갖습니다.

 

실제 연필심이 부러진 부분을 자세히 보면 깨끗하게 끊어진 단면을 볼 수 있는데, 이부분이 바로 탄소층 구조의 단면이 잘려나간 것을 보여주는 것입니다.

 

지금 이 글을 읽고 계신 독자 중 많은 분들이 그런 것처럼, 당시 라부아지에를 포함한 많은 과학자들도 이렇게 다이아몬드가 흑연으로 바뀌는 결과를 보고서 ‘그렇다면, 거꾸로 흑연, 즉 연필심을 이용해서 다이아몬드를 만들 수도 있지 않을까? 그렇다면, 엄청난 부자가 될 수 있겠는걸!’라고 생각을 했고, 실제 흑연을 이용해서 다이아몬드를 만들어 내기 위해서 다양한 실험을 하게 됩니다.

 

하지만, 수많은 과학자들이 억만장자가 되기 위한 부푼 꿈을 안고 실험을 계속했음에도 불구하고, 실제로 흑연을 이용해서 인공 다이아몬드를 만들어 내는것은 약 200년이 지난 1953년 미국의 제너럴 일렉트릭사(General Electric, GE)에서 이루어집니다.

 

다이아몬드를 흑연으로 바꾸는 것과 달리 그 반대 과정을 성공하는 데에 이렇게 오랜 시간이 걸린 이유는 탄소로만 이루어져있다는 것은 같지만, 흑연의 구조가 다이아몬드의 구조보나 더 안정적인 구조이기 때문에, 더 불안정한 구조로 거슬러 가는 것은 화학적으로 쉬운 일이 아니기 때문입니다.

 

현재는 공정과정이 더 많이 발달해서 탄소를 이용해서 인공적으로 만들어지는 다이아몬드가 많이 생성되고 있으며 이러한 인공 다이아몬드는 유리를 자르는 유리칼 등과 같이 산업용, 공업용으로 널리 사용되고 있습니다. 그렇다면 왜 이런 인공 다이아몬드는 천연 다이아몬드를 대체하지는 못하는 것일까요?

 

물론 이렇게 생성된 인공 다이아몬드는 물리적, 화학적 성질로 따지자면 천연 다이아몬드와는 차이가 없습니다. 하지만, 오랜 기간 자연스럽게 생성된 천연 다이아몬드에 비해서 비교적 짧은 시간안에 인공적으로 만들어진 다이아몬드는 내부에 많은 흠집을 갖고 있게 되어 보석으로서의 가치는 떨어진다고 합니다.

 

최근에는 공정과정을 발달시켜 보석으로 써도 손색이 없는 다이아몬드를 만들어 천연 다이아몬드의 약 3분의 1정도의 가격으로 보석으로 이용되는 경우도 있다고 하고, 또 미국의 어떤 회사는 돌아가신 분의 유해에서 탄소를 추출하여 이를 이용하여 보석으로 만들어준다고 하여 이슈가 되기도 했습니다.

 

이렇게 많은 방법으로 다이아몬드를 합성하여 이용하는 분야들이 많아지고는 있지만, 아직까지도 사람들이 다이아몬드 가치가 ‘천연’이라는 것 자체에서 나오는 것이라고 생각하기 때문에, 보석으로서의 천연 다이아몬드의 가치가 인공 다이아몬드에 의해서 위협받지는 않는 것이라고 생각됩니다.

 

석준영(비센 학원장)