과학자들이 수십 년의 연구 끝에 다이아몬드에 필적하는 새로운 초경도 물질을 개발했다는 연구 결과가 공개됐다.

과학 전문매체 '사이테크데일리(scitechdaily)'에 따르면, 영국 에든버러 대학교(University of Edinburgh)를 포함한 국제 연구팀은 탄소와 질소를 혼합한 물질을 극한의 압력과 열에 노출시킴으로써, 다이아몬드보다 더 단단한 새로운 물질을 창출했다.

연구팀은 탄소와 질소를 혼합한 물질을 지구 내부와 유사한 약 100만 배의 대기압 압력에 노출시켰다. 더불어, 섭씨 150만 도 이상의 고온에서 가열하는 실험을 진행했는데, 이는 태양 표면의 온도에 가까운 극한의 조건이다. 

이러한 극한 조건에서 탄소와 질소 원자는 강력하게 결합하여 '탄소 질화물(carbon nitride)'을 형성한다. 연구팀은 이 새로운 물질의 경도를 측정하기 위해 여러 강도 시험을 수행했다.  그 결과 이 탄소 질화물이 현재 알려진 물질 중 두 번째로 단단한 '입방정 질화붕소(cubic boron nitride)'보다 더 단단한 것으로 밝혀졌다.

이번 연구는 재료 과학 분야에 있어 중대한 발견으로, 특히 항공우주, 군사, 산업 분야 등에서의 응용 가능성이 높은 새로운 초경도 물질의 개발을 의미한다.

연구팀은 프랑스의 유럽 싱크로트론 연구 시설(European Synchrotron Radiation Facility, ESRF), 독일의 독일 전자 싱크로트론(Deutsches Elektronen-Synchrotron, DESY), 미국에 기반을 둔 고에너지 물리학 연구소(Advanced Photon Source, APS)에 있는 세 개의 입자 가속기를 이용하여 강렬한 X선 빔을 이용해 샘플을 조사했다. 이 X선 빔은 샘플 내의 원자 구조와 전자 분포를 산란시켜, 물질의 내부 구조를 세밀하게 분석할 수 있게 해준다.

연구 결과는 세 가지 다른 질화탄소 화합물이 초경도를 달성하기 위한 필수 구성 요소들을 보유하고 있다는 것을 보여준다. 특히 놀라운 점은, 이 세 화합물이 모두 일반적인 압력 및 온도 조건으로 돌아갔을 때도 다이아몬드와 유사한 특성을 유지한다는 것이다. 이러한 발견은 물질의 안정성과 내구성에 대한 새로운 이해를 제공하며, 과학 및 산업 분야에서의 응용 가능성을 확대한다.

추가적인 계산과 실험에 따르면 이 새롭게 개발된 물질이 광발광과 높은 에너지 밀도와 같은 여러 특별한 특성을 가지고 있음이 밝혀졌다. 이는 물질이 매우 적은 질량으로 상당한 양의 에너지를 저장할 수 있음을 의미한다.

연구팀은 이러한 초비압축성 탄소 질화물이 다양한 응용 분야에 적용될 잠재력이 크다고 지적했다. 그들은 이 물질이 다이아몬드와 비견될 수 있는 궁극적인 공학 재료로 자리 잡을 수 있다고 전망했다.

연구를 주도한 에든버러 대학교의 도미니크 라니엘(Dominique Laniel) 박사는 "이 새로운 질화탄소 물질 중 첫 번째 질화탄소 물질이 발견되었을 때, 우리는 지난 30년 동안 과학자들이 꿈꿔온 물질을 만들어낸 것이 믿기 어려웠다. 이러한 재료는 고압 재료 합성과 산업적 응용 사이의 간극을 메우는 데 강력한 동기를 제공한다."라고 말했다. 

린셰핑 대학 플로리안 트리벨(Florian Trybel) 박사는 "이 물질은 다기능성이 탁월할 뿐만 아니라 지구 내부 깊숙한 곳에서 발견되는 조건과 유사한 극한의 합성 압력에서도 안정한 상태를 유지할 수 있다는 점을 보여준다. 우리는 이 공동 연구를 통해 이 분야에서 새로운 가능성을 열 것이라고 확신한다"라고 말했다.

이번 연구는 깨지지 않는 초단단 재료 개발 분야에서 중요한 진전을 이루었다. 이 새로운 재료는 자동차와 우주선의 보호 코팅, 내구성이 뛰어난 절삭 공구, 태양 전지판, 광검출기 등과 같은 다양한 산업 분야에 응용될 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 이는 기술적인 혁신 뿐만 아니라 산업 전반에 걸친 여러 응용 분야에도 중대한 영향을 미칠 수 있을 것으로 기대된다.