구조

다이아몬드는 붕소와 질소와 같은 미량 불순물을 제외하고 다이아몬드는 모든 생명체의 기본이 되는 탄소로만 구성되어 있습니다.

  • 원자 번호 : 6

  • 원자 질량 : 12.011

  • 최 외각 전자수 : 4

그러나 다이아몬드는 같은 탄소로 구성된 흑연과는 분명히 다른 구조를 갖고 있습니다. 같은 탄소로 구성된 흑연은 매우 부드럽지만 다이아몬드는 가장 단단한 표면를 갖고 있는 이유와 흑연은 불투명하고 검정색인데 다이아몬드는 왜 투명할까요?

이 이유는 다이아몬드의 탄소 원자 또는 결정 구조의 특정한 배열에 있습니다.

결정 구조

중성의 탄소 원자는 핵을 둘러싼 6 개의 양성자와 6 개의 전자를 가지고 있습니다. 탄소 원자의 전자 중 최외각 가전자(價電子) 4 개는 다른 원자와 결합을 형성 할 수 있는 전자입니다. 흑연에서 각 탄소 원자는 4 개의 가전자중 3 개만 인접한 탄소와 결합합니다. 이러한 결합 구조는 마치 탄소 원자가 평평한 시트 형태로 결합됩니다. 이 층은 개별적으로 강하지만 서로 약하게 연결되어 있어 분리가 쉬워 흑연으로 만드는 연필심은 종이에  층별로 떨어져 나가게 되어 글씨를 작성할 수 있습니다.


그러나 다이아몬드를 구성하고 있는 탄소는 최외각 전자 4 개를 모두 인접한 탄소 원자와 공유하여 결합합니다. 이러한 결합을 공유 결합(covalent bond)이라고 합니다. 이 공유 결합은 가장 강력한 화학적 결합입니다. 다이아몬드의 반복 구조 단위는 기본적으로 입방체로 배열 된 8 개의 원자로 구성되며 각 원자 (빨간색 공)가 강한 화학 결합으로 4 개의 다른 탄소 원자와 결합하게 되어 다이아몬드의 단단한 구조를 이루게 됩니다.

결정 정벽(Habit)

위에서 설명한 입방체 형태와 대칭적인 원자 배열 형태의 다이아몬드 결정은 "결정 정벽(habit)"으로 알려진 다양한 형태로 결정화 됩니다. 일반적인 다이아몬드하면 연상되는  8면체는 가장 대표적인 결정 정벽입니다. 그러나 다이아몬드 결정은 6면체, 12면체 및 이러한 기본 모양의 조합으로 형성 될 수도 있으며 이러한 결정은 입방 결정 시스템 형태를 기준으로 변형된 것입니다. 예외적인 두 가지 형태는 평평한 형태 2개의 다이아몬드 결정이 결합된 형태인 맥클 (macle)과 둥근 표면, 때로는 길쭉한 모양을 가진 다이아몬드 결정도 있습니다.

6면체

팔면체

입방-정팔면체

12면체

​맥클

다이아몬드 결정

다이아몬드 결정은 항상 완전히 매끄러운 표면을 가지고 있지 않습니다. 트라이곤(trigon)은 다이아몬드 표면에 미세하게 높거나 낮아진 삼각형 형태입니다. 여기에 표시된 삼각형은 다이아몬드 결정의 자연적인 에칭에 의해 생성되었을 가능성이 가장 높습니다. 이 융기된 트리이곤은 에칭, 용해 또는 결정의 자연적인 성장의 일부로 발생할 수도 있습니다.

트라이곤 (사진 ChrisMago)

경도

다이아몬드는 경도로 유명합니다. 경도는 물질이 긁힘에 대한 저항력을 나타내는 척도이며 다이아몬드 만이 다른 다이아몬드를 긁을 수 있습니다. 다이아몬드는 지구상에서 알려진 가장 표면이 단단한 물질입니다.

1822 년 오스트리아 프리드리히 모스가 광물 식별 기준으로 개발 한 경도 척도인 모스 경도는 다이아몬드의 경도를 평가하는 데 도움이 될 수 있습니다. 등급은 10 개의 등급으로 구성되어 있습니다. 더 높은 등급의 광물은 낮은 등급의 광물의 표면을 긁을 수 있습니다.

모스경도 수치를 보다 정량적인 Knoop 척도 (다이아몬드로 해당 광물 표면에 눌러서 자국을 만드는데 필요한 힘)로 그래프를 작성하면 Mohs 경도 8 토파즈까지는 경사가 완만하지만 커런덤에서 다이아몬드는 기하 급수적으로 상승하게 되는 것을 알 수 있습니다. 다이아몬드 경도를 측정하려면 다이아몬드를 사용해야 하므로 실제적인 다이아몬드의 경도를 측정하는 것은 사실 어렵습니다.

밀도

밀도는 물질의 질량과 부피의 비율입니다. 예를 들어 납이 동일한 양의 소금보다 무겁게 느껴지는 이유는 바로 밀도의 차이입니다. 다이아몬드는 탄소 원자량이 적지만 밀도가 매우 높습니다 . 입방 센티미터 당 3.51g의 다이아몬드는 입방 센티미터 당 2.20g에 불과한 흑연보다 훨씬 밀도가 높습니다. 같은 탄소로 구성되어 있는 흑연과 다이아몬드의 밀도 차이는 다이아몬드의 기원에 대한 중요한 단서를 제공합니다 . 다이아몬드의 탄소 원자가 지구 표면 근처에서 형성되는 흑연보다 더 단단하게 "압착" 되었다는 것은 다이아몬드가 고압 조건에서 형성 된다는 것을 의미합니다 . 이 개념은 아래 그래프에 나와있는 압력 및 온도에서 다이아몬드를 실험적으로 합성 함으로써 입증되었습니다 .

다이아몬드 생성조건

형광과 인광

다이아몬드 나석과 원석에 나타난 형광현상 (사진 ChrisMago)

열 전도도

다이아몬드를 종종 "아이스"이라고도 하는데 그것은 다이아몬드가 차갑기 때문입니다. 또한, 우리 체온보다 낮지만 체온이 쉽게 다이아몬드로 전도될 수 있습니다. 다이아몬드를 입술에 대어 보면 열을 빼앗아 가기 때문에 얼음처럼 차갑게 느껴집니다 . 다이아몬드의 우수한 열전도도는 다른 보석과 쉽게 구별되며 열전도가 높다는 구리보다 실온에서 약 4 배 더 높습니다. 다이아몬드의 뛰어난 열전도 특성으로 인하여 집적도가 점점 높아짐에따라 열발생이 문제가 되는 전자장치를 더 작고 강력하게 만드는데 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

금속은 일반적으로 투명 물질보다 열을 훨씬 잘 전달합니다. 왜냐하면 금속은 전기가 흐르는 것과 비슷한 방식으로 열을 전달하는 패킷 역할을 자유전자가 하고 있기 때문 입니다. 비금속은 원자 진동에 의해서만 열을 전도하는데, 이는 움직이는 전자 보다 효율적이지 못한 메커니즘입니다.

그러나 다이아몬드에서 진동 에너지는 강한 내부 화학 결합을 따라 결정을 따라 이동합니다 . 따라서 다이아몬드는 매우 우수한 열전도를 제공합니다 .

위의 오른쪽 그래프는 탄소가 온도와 압력의 조건에 따라 다이아몬드 또는 흑연으로 결정되는 관계를 보여줍니다. 1950 년대 초에 ASEA와 제너럴일렉트릭(General Electric)에 의해 이런한 조건에 의해 다이아몬드를 합성하는데 성공했습니다. 다이아몬드는 온도와 압력에 상호 관계에 따라 결정으로 성장하게 되는데 예를 들어, 섭씨 1,400도에서 다이아몬드를 만드는 데 필요한 압력은 55,000 기압입니다.  이 55,000기압의 힘은 에펠탑 (7000 미터 톤)을 5인치 동판에 올려 놓았을 때의 힘과 동일합니다.

다이아몬드의 흥미로운 특성은 어둠 속에서 빛을 발할 수 있다는 것입니다. 자외선에 다이아몬드가 노출되었을 때, 일부 다이아몬드는 고 에너지 복사한 후 다시 가시광으로 재 방출한다. 이를 다이아몬드의 형광이라고합니다. 일부는 자외선 소스가 꺼진 후에도 계속 빛날 수 있습니다 . 이를 인광입니다.

모든 다이아몬드가 형광을 발하지 않으며 약 30 %만이 형광을 나타냅니다. 대부분의 다이아몬드 감정소는 다이아몬드 형광을 식별 특성으로 간주하지만 다이아몬드 평가 지수인 4C에는 포함되지 않지만 가치에는 부정적인 요소로 평가됩니다. 다이아몬드의 형광을 'None, Faint, Medium, Strong, Very Strong'과 같이 형광의 강도에 따라 평가됩니다. 일부 다이아몬드 전문가들은 청색 형광이 다이아몬드의 색상을 향상 시킨다고 생각합니다. 이 청색 형광은 옅은 황색 다이아몬드를 만들 수 있으며 매우 강하고 중간 정도의 청색 형광은 형광을 발하지 않는 유사한 다이아몬드보다 색상 등급(color grade)에서 실제로 가지고 있는 색상보다 약간 더 높은 색상 등급 평가를 받을 수 있습니다.

다이아몬드

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