맨틀 속에서 만들어지는 다이아몬드

작성일 09-06

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 다이아몬드. 게티이미지뱅크 제공
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 반짝이는 광채로 유명한 광물인 다이아몬드는 탄소 원자만으로 이루어져 있습니다. 탄소는 지구에서 흔한 원소이지만 다이아몬드를 우리 주변에서 쉽게 만날 수는 없습니다.
 다이아몬드가 만들어지려면 5만~6만 기압과 1300~1800℃의 환경이 필요하기 때문이에요. 지구의 대기압은 1기압인데 다이아몬드가 형성되려면 우리를 누르고 있는 압력의 5만~6만 배의 엄청난 압력이 작용해야 하는 것입니다.
 이 같은 환경은 지구 내부 구조 중 맨틀에서 형성될 수 있습니다. 지구 내부의 구조는 크게 지각과 맨틀, 외핵, 내핵의 4개 층으로 구성되어 있어요. 그중 맨틀은 지각 아래 있는 두꺼운 암석층으로 깊이가 약 2900km까지 뻗어 있습니다. 맨틀의 온도는 약 3700°C, 압력은 약 138만 기압에 이를 정도로 극한의 환경이에요.
 맨틀 안의 탄소는 육각형의 층상구조를 이루고 있어요. 층상구조는 얇은 층들이 규칙적으로 쌓여 있는 구조를 의미합니다. 층상구조는 분자 안에서 또는 분자끼리 작용하는 인력인 반데르발스 힘으로 결합되어 있어요. 반데르발스 힘은 공유결합이나 수소결합에 비해 상대적으로 결합하는 힘이 약한 편이에요. 그래서 온도나 압력에 의해 쉽게 바뀔 수 있습니다.
 탄소의 층상구조가 오랜 시간 맨틀의 높은 온도와 강한 압력에 노출되면 결합이 파괴되고 새로운 다이아몬드 구조로 재배열됩니다. 다이아몬드 구조는 정사면체의 형태로 하나의 탄소 원자가 다른 네 개의 탄소 원자와 강하게 결합해 있는 구조입니다. 3차원으로 매우 단단하게 연결되어 있어요. 
 다이아몬드는 광물 굳기 척도에서 최고 수준인 10에 해당하는 단단한 광물 중 하나입니다. 이렇게 만들어진 다이아몬드는 석광석에 박혀 있다가 마그마가 급격하게 폭발할 때 마그마와 함께 땅 위로 올라오게 됩니다.
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 <img alt="다이아몬드 배터리는 심해 잠수함에도 이용될 수 있다. 게티이미지뱅크 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202509/06/dongascience/20250906080213586gxfs.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="PpKwQv41dM" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img2.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202509/06/dongascience/20250906080213586gxfs.jpg" width="658">
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 다이아몬드 배터리는 심해 잠수함에도 이용될 수 있다. 게티이미지뱅크 제공
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 ● 수천 년 동안 사용할 수 있는 다이아몬드 배터리 개발되다!
 영국 브리스톨대 연구팀과 영국 원자력공사 연구팀은 세계 최초로 탄소-14 다이아몬드 배터리를 개발했다는 소식을 2024년 12월 밝혔습니다. 이 배터리는 다이아몬드에 1g의 탄소-14를 넣은 형태예요. 탄소는 탄소-12(¹²C), 탄소-13(¹³C), 탄소-14(¹⁴C) 등의 동위원소를 가지고 있습니다. 
 원자는 중성자와 양성자로 이루어진 원자핵을 가지고 있습니다. 동위원소는 양성자 수는 같지만 중성자 수는 다른 원소를 의미합니다.
 특히 연구팀이 사용한 탄소-14는 방사성 동위원소입니다. 방사성 동위원소는 원소가 붕괴하는 과정에서 방사선을 내뿜는 동위원소를 의미해요. 연구팀은 방사선을 이용하면 외부에서 전력이 공급되지 않아도 배터리 스스로 전기를 만들어낼 수 있다는 사실에 주목했어요. 전기를 자체적으로 발생시킬 수 있는 주요 이유는 방사성 동위원소의 ‘반감기’ 때문입니다.
 반감기는 어떤 물질의 양이 원래 양의 절반으로 줄어드는 데 걸리는 시간입니다. 탄소-14의 반감기는 5730년이에요. 탄소-14가 내뿜는 방사선의 세기가 절반 정도 사라지는 데 5730년이 걸린다는 의미입니다. 
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 <img alt="배터리 샘플. University of brist 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202509/06/dongascience/20250906080214813kwvk.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="QTA85iGkix" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202509/06/dongascience/20250906080214813kwvk.jpg" width="658">
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 배터리 샘플. University of brist 제공
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 연구팀의 실험 결과 탄소-14 다이아몬드 배터리는 하루에 약 15J의 전력을 생산할 수 있었어요. 손전등을 1초 정도 켤 수 있는 적은 양이지만 계속해서 전력을 활용할 수 있습니다.
 탄소-14 다이아몬드 배터리는 다양한 분야에 이용될 수 있습니다. 인공 안구나 보청기, 심장박동기 등 의료기기에 사용될 수 있어요. 배터리 교체가 불가능한 우주나 심해에서도 활용될 수 있습니다. 
 특히 우주선이나 탑재체에 전력을 공급하는 역할을 할 수 있어요. 연구팀은 “탄소-14 다이아몬드 배터리는 수천 년 동안 전력을 공급할 수 있는 잠재력을 가지고 있다”고 밝혔습니다.
 ※관련기사 어린이과학동아 9월 1일, 편집부와 미리보는 통합과학…비즈속 숨겨진 다이아몬드는?
 [박연정 기자 yjyj0829@donga.com]
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