다이아몬드 (+ 탄소 행성) 이모저모

다이아몬드 (+ 탄소 행성) 이모저모

다이아몬드에 대해 알아봅시다 + 다이아몬드 행성?

- [다이아몬드(Diamond])]는 [탄소(Carbon)]의 동소체 중 하나로, 실험으로 확인된 것 중 자연에서 가장 단단한 물질로서 [금강석(金剛石)]이라고 부르며, 다이아라는 약칭으로도 자주 불린다.

 

결정구조는 대부분이 팔면체로, 십이면체나 육면체도 존재하고 보석이나 연마재로 널리 이용되고 있으며, 다이아몬드 결정의 원자에 [홀전자(unpaired electron: 오비탈을 홀로 점유하는 전자)]가 존재하지 않기 때문에 전기가 통하지 않는다.

지구 내부의 매우 고온·고압의 환경에서 생성되는 다이아몬드는 정해진 형태로 산출되지 않으며, 또한 각이 진 것은 아니나 그 절단된 보석 장식의 형태로 마름모꼴, 야구의 내야, 기호(◇)를 가리켜 다이아몬드라고도 한다.

다이아몬드라는 이름은 그리스어 [δάμας(adámas, 정복할 수 없다 or 굴하지 않는다)]에서 유래했고, 이탈리아어·스페인어·포르투갈어로는 [Diamánte(디아만테)], 프랑스어로는 [Diamant(디아만)], 폴란드어로는 [Diáment(디야멘토)] 등으로 불린다.

참고로 다이아몬드는 4월의 탄생석이다:)

 

 

1. 산출

 

감람암의 모습

1-1. 산출지와 지질 구조: 다이아몬드는 맨틀 기원의 화성암인 철과 마그네슘으로 이루어진 [감람암(橄欖巖, peridotite)]에 포함된다. 감람암의 관입과 함께 맨틀에서의 고온·고압 상태의 탄소(다이아몬드)가 지표 근처까지 단번에 이동함으로써 흑연 일부가 급격하게 변하는 현상인 [상전이(相轉移, phase transition)]가 일어나지 않는다고 여겨진다.

이 때문에 다이아몬드 산출지는 감람암이 인정되는 지역, 즉 [안정육괴(安定陸塊)]에 편중돼 있다.

한국 광물자원 연구의 개척자, 박동길 교수의 모습

다이아몬드의 모암인 감람암은 오래된 지질구조가 보존된 곳에만 존재하며, 한국의 경우 먼 나라 얘기로 여겨지는 편이나 1935년 2월, 당시 지질학자인 [박동길(1897~1983)] 교수가 사금과 석류석을 감정하는 도중, 0.1 캐럿의 다이아몬드를 발견한 적(현재 서울대학교 소장)이 있다.

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1-2. 산출량: 좀 오래된 기록이지만, 2004년 시점 전 세계 다이아몬드 총산출량은 [15,600만 캐럿(이하, USGS Minerals Yearbook 2004)]이었다.

국가별 생산량(단위 캐럿)은 아래와 같다(Carat, 캐럿은 보석의 질량을 나타내는 데 자주 사용되는 단위로 1캐럿은 0.2g이다).

1위 - 러시아: 3,560만
2위 - 보츠와나: 3,110만
3위 - 콩고 민주 공화국: 2,800만
4위 - 오스트레일리아(호주): 2,062만
5위 - 남아프리카 공화국: 1,445만
6위 - 캐나다: 1,262만
7위 - 앙골라: 600만
8위 - 나미비아: 200만
9위 - 중국: 121만
10위 - 가나: 100만

 

상위 6개국: 러시아(22.8%), 보츠와나(19.9%), 콩고민주공화국(18.0%), 호주(13.2%), 남아프리카 공화국(9.3%), 캐나다(8.1%)로, 이 6개국이 전 세계 다이아몬드 시장의 90%를 차지한다.

1-3. 채굴: 다이아몬드의 채굴은 과거 [광상(鑛床, 유용한 광물이 많이 모여 있어 경제성이 있는 곳을 뜻한다)] 근처 강변 등의 2차 광상에서 모암으로부터 흘러나온 광석을 찾아내는 방식이 주류였다.

1867년 [오렌지 자유국(Orange Free State)]과 영국령 [케이프 식민지(Cape Colony)]의 국경 부근에서 다이아몬드가 발견되었고, 그 동쪽에 다이아몬드의 광상인 모암이 있다고 지질학자가 밝혀내면서 방식이 바뀌었다.

그 모임이 있는 지역은 [킴벌리(Kimberley)]라고 명명, 모암을 분쇄하여 대량의 암석을 처리하고 그중에서 다이아몬드 광석을 찾아내는 방식이 이후 주류가 되었다.

킴벌리의 첫 광상에는 현재 [빅홀(Big Hole)]로 불리는 큰 구멍이 나 있고, 현재는 관광지로 자리 잡았다. 이 킴벌리의 광상 속에서 세계적인 다이아몬드 관련 기업인 [드비어스(De Beers)]가 태어나 다이아몬드의 세계 시장을 지배하게 되었다.

1967년에는 독립한 지 얼마 안 된 보츠와나 공화국 북부 [오라파 광산(Orapa Diamond Mine)]에서 대광상이 발견되었고, 그 후 계속해서 광상이 발견되면서 보츠와나는 순식간에 세계 2위의 다이아몬드 생산국이 된다.

그 이익으로 보츠와나는 [아프리카의 기적]으로 불리는 경제성장을 이루는 데 성공했다(2016년 기준 1인당 PPP 16,947달러). 하지만, 빈부격차가 심각하고 다이아몬드 같은 광업에 의존하고 있기에 그렇게 썩 좋은 상황은 아니다.

 

2. 다이아몬드의 성질

2-1. 굴절률: 다이아몬드의 [굴절률(refractive index)]은 2.42로 높아, 내부에서의 전체 반사가 일어나기 쉬우며 다이아몬드의 컷으로 자주 이용되는 [브릴리언트 컷(Brilliant Cut)]에서는, 빛을 비추어 그 반사를 볼 때 다음의 세 종류의 빛으로 상승효과를 일으켜 아름답게 보인다.

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▼신틸레이션(Scintillation): 반짝임으로, 반짝반짝한 빛·표면 반사에 의한 것.
▼브릴리언시(Brilliancy): 명증도로 희고 강한 반짝임, 다이아몬드 내부에 들어온 빛이 비교적 적은 횟수의 반사를 거쳐 돌아오는 것.
▼디스퍼션(Dispersion): 분산을 뜻하며 무지갯빛, 다이아몬드 내부에 들어온 빛이 반사를 반복하여 프리즘 효과에 의해 무지갯빛으로 되는 것.

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2-2. 경도·인성(질긴 정도)·안정성: 다이아몬드의 [경도(Hardness)]는 예로부터 잘 알려져, 공업적으로도 연마나 절삭 등 많은 용도로 이용되고 있다.

다이아몬드는 천연 물질 중에서는 최상급인 [모스 굳기계(Mohs' scale of mineral hardness, 마찰이나 긁힌 상처에 대한 강도)] 10, [누프 경도(Knoop hardness, 공업재료의 굳기를 나타내는 척도의 하나)]에서도 월등히 단단한 것으로 알려져 있다.

 

또 다른 경도 기준인 [비커스 굳기(Vickers hardness)]는 종류에 따라 다르며, 70~150GPa 으로 다른 보석이나 귀금속류와 접촉하는 상태로 운반하면 다른 보석들을 손상할 수 있으므로 주의가 필요하다.

보석의 내구성을 나타내는 방법은 인성이라는 균열, 결핍에 대한 저항력 등이 있다. 인성은 수정과 같은 7.5이며, 루비나 사파이어의 8보다도 낮다.

흔히 다이아몬드는 내충격성이 뛰어난 것 같은 인상을 주지만, 광물로서는 인성이 크지 않으므로 완만하게 서서히 가중되어 가는 압력에 대해서는 높은 강도를 가지지만, 순식간에 가해지는 힘에 대해서는 약하며 망치로 위에서 두드리면 산산조각이 나버린다.

여기서 말하는 안정성이란, 약품이나 광선 등에 의한 변화에 대한 강도를 말한다. 다이아몬드는 황산이나 염산 등에도 변화가 없으며 햇빛에 오랫동안 노출돼도 변화가 일어나지 않는다.

 

열역학적으로는 25℃, 105Pa 하에서 [엔탈피(enthalpy, 열역학적 계에서 뽑을 수 있는 에너지)]로 1.895kJ/mol, [기브스 자유에너지(Gibbs free energy, 일정한 압력과 온도를 유지하는 조건 아래 열역학적 계에서 뽑을 수 있는 에너지)]에서 2.900kJ/mol로 각각 흑연보다 높고 불안정하며, 27℃에서는 약 15,000기압 이상의 고압 하에서 안정된다.

단, 상온·상압에서 상호 전이 속도는 관측 불능일 정도로 매우 느리며, 상온 상압에서는 준안정 상태로 여겨진다.

2-3. 벽개성(cleavability): 다이아몬드에는 일정한 면을 따라 깨지기 쉬운 성질이 있다(4방향으로 완전). 다이아몬드는 보통, 물질이나 도구로서는 손상되지 않는다고 생각하나 결정 방향의 각도를 고려하여 순간적으로 큰 힘을 가하면 깨진다.

연소 등의 화학반응을 인위적으로 촉진하며, 흠집이 있으면 커터칼을 대고 가볍게 손으로 두드리면 깨진다(다이아몬드 원석 컷팅은 이러한 방법으로 이뤄진다).

 

2-4. 열전도(熱傳導, thermal conduction): 다이아몬드는 매우 열 전도성이 높다. 이것은 원자의 열 진동이 [포논(Phonon: 격자 진동의 양자화된 알갱이)]이 되어 전해지기 쉬운 것에 의한다. 그래서 만지면 차갑게 느껴지는 것이 이 때문이다.

 

2-5. 친유성(lipophilic): 다이아몬드는 기름과 친화력이 높은 성질인 친유성이 있어, 이 성질을 이용해 다이아몬드 원석과 그렇지 않은 것을 나누는 작업도 있다.

보석으로서 몸에 지닌 중, 더러운 이물질이 묻으면 기름의 막에 의해서 빛이 다이아몬드 내부에 들어가지 않게 되면서, 광채가 무뎌진다.

이럴 땐 중성세제나 세안료 등으로 씻으면 기름이 떨어지고 광채가 돌아오나, 반대로 물에는 전혀 소용이 없다.

 

 

3. 칼라 다이아몬드

- 흔히 다이아몬드는 무색투명한 것을 생각하나, 황색을 띠거나 갈색인 경우가 많다. 결정 구조의 왜곡이나 질소나, 붕소 등의 원소에 의해 착색되기도 한다.

대개 무색투명일수록 가치가 높아, 노란색이나 갈색 등 색이 들어간 것은 가치가 떨어진다고 말하나 블루·핑크·그린 등은 희소하고 오히려 무색보다 비싸게 거래된다(녹색은 드레스덴 그린처럼 방사선을 오랫동안 쬐었기 때문으로 알려졌으며, 핑크는 결정 구조의 변형에 의함).

또, 저급인 황색 다이아몬드라도 깨끗한 황색이면 가치가 높은데 2010년에 남아프리카에서 발견되어 [선드롭(Sun-Drop)]이라고 이름 붙여진 110.03캐럿의 옐로우 다이아몬드는 2011년 11월, 제네바 경매에서 [1,000만 스위스 프랑(약 130억 5,400만 원)]에 낙찰됐다.

20세기 말경부터, 내포하는 흑연 등으로 인해 흑색으로 불투명해진 블랙 다이아몬드는 액세서리로 평가되어 고급 보석 가게 티파니 등의 보석 장식에 사용되고 있다.

 

 

4. 유명한 다이아몬드

 

1. 컬리넌(Cullinan): 1905년 남아프리카에서 발견, 가공 전 원석은 3,106캐럿이나 되어 총 1,063캐럿으로 105개나 되는 보석을 얻을 수 있었다.

당시 영국 국왕인 [에드워드 7세(Edward VII, 1841~1910)]에게 헌상 되었으며, 105개 중 가장 큰 컬리넌 I은 530.20캐럿으로 [위대한 아프리카의 별(The Great Star of Africa)]이라는 별명을 갖고 있으며, 잘려나간 다이아몬드로는 오랫동안 세계에서 가장 큰 규모를 자랑했다.

컬리넌 I은 현재 [런던탑(Tower of London)] 내에 전시되어 있어 견학할 수 있다. 가치는 [2억 달러(약 2,400억 원)].

 

현재, 세계 최대의 연마된 다이아몬드는 [골든 주빌리 다이아몬드(The Golden Jubilee Diamond)]로, 545.67캐럿이며 태국 국왕 [라마 9세(Rama IX, 1927~2016)]의 치세 50주년을 기념해 1997년 태국 왕실에 헌상 됐다. 가치는 최고 [1,200만 달러(약 142억 원)].

 

 

2. 그레이트 모굴 다이아몬드(Great Mogul Diamond): 프랑스의 보석상 타베르니에의 여행기에 기록된 전설의 다이아몬드로, 원석 상태에서는 787.50캐럿이었다고 한다.

사실이라면 그 당시 세계 최대이지만, 일부러 베네치아로부터 부른 컷 직공이 컷에 실패하면서 280캐럿 남짓, 그 후의 행방은 알 수 없다.

 

 

3. 리전트 다이아몬드(Regent Diamond): 인도산으로 약간 푸른 기를 띤다. 140.64캐럿으로 현재 프랑스 [루브르 박물관(Le musée du Louvre)]에 전시 중이다. 가치는 [4,800만 파운드(약 731억 880만 원)]이며, [저주의 다이아몬드] 중 하나.

 

4. 피렌체 다이아몬드(The Florentine Diamond): 인도산의 옐로우 다이아몬드로 137.27캐럿, 오랜 세월 토스카나 대공가에 소장되어 있었으나 그 후, 소유권이 합스부르크 가문으로 넘어간다.

합스부르크 최후의 황제가 제정 붕괴 시에 가지고 달아난 후, 현재까지 행방불명된 일명 [유럽 4대 다이아몬드] 중 하나이자 [저주의 다이아몬드]로 불린다. 위 사진의 다이아몬드는 모조품.

 

5. 스타 오브 더 사우스(Star of the South): 브라질산으로 128.48캐럿, 2002년에 저명한 프랑스의 브랜드인 [까르띠에(Société Cartier)] 사가 구입했다. 그 후, 인도인의 개인 소유물이 된 것 같으나 진상은 불명.

 

6. 상시(Sancy): 인도산, 약간 누렇게 뜬 다이아몬드. 55.23캐럿으로 현재 루브르 박물관 전시, [저주의 다이아몬드] 중 하나다.

 

7. 호프 다이아몬드(Hope Diamond): 인도산으로 추정, 사파이어와 같은 짙은 청색 다이아몬드로 소유자가 차례차례 불의의 사고로 사망하는 [저주의 다이아몬드] 중 가장 유명하다. 45.52캐럿으로 현재 미국 국립 자연사 박물관 소장.

가치는 약 2.5억 달러(약 3,000억 원).

 

 

5. 탄소 행성(다이아몬드 행성)

- [탄소 행성(carbon planet)]은 미국의 천체물리학자 [마크 쿠치너(Marc Kuchner, 1972~)]가 제창한 행성의 유형으로, 탄소 및 그 화합물을 주성분으로 하는 고체 천체이다.

영어로는 [다이아몬드 행성(diamond planet)]이라고도 불린다(단, 여러분의 상상과 다르게 행성 전체가 다이아몬드는 아니다). 현재까지 시점에서는 실제로 확인된 예는 없고, 이론상의 존재다.

 

6. 탄소 행성 개요

 

 

- 탄소 행성은 탄소가 풍부하고 산소가 결핍된 원시 행성계 원반으로 형성된다. 태양계에서는 탄소/산소의 비율은 0.5 정도인데, 이것이 1을 넘으면 암석 행성 대신에 탄소 행성이 형성될 가능성이 있다고 한다.

탄소 행성의 중심에는 암석 행성과 같은 금속질 코어가 있을 것으로 추측되고 있다. 그 주위는 탄화규소와 탄화 티타늄 맨틀로 덮여 있다.

 

 

지각은 탄소로 이뤄져 있어, 충분한 고압 환경이 존재한다면 두께 수 킬로미터의 다이아몬드층이 존재할 수도 있다. 지표에는 탄화수소나 일산화탄소가 존재하는 것으로 여겨진다.

 

7. 관측

 

2018년 현재, 탄소 행성으로 확인된 외부 행성은 존재하지 않는다. 탄소 행성의 평균 밀도는 암석 행성에 가까우므로 지름은 같은 질량의 암석 행성과 큰 차이가 없을 것으로 예측된다. 이 때문에 현재의 기술로 양자를 분별하는 것은 어렵다.

2011년, 태양과 비슷한 여러 항성에 대해 탄소/산소의 비율이 조사되었다. 대상인 941개의 항성 중 대부분은 탄소/산소 비율이 1보다 작아 암석 행성이 생기기 쉬운 환경에 있었으나, 46개는 1을 웃돌고 있었다. 이들은 탄소 행성을 가진 후보로 여겨진다.

펄사 PSR B1257+12는 탄소가 풍부한 항성이 초신성 폭발을 일으킨 잔해로 여겨진다. 펄서 주위에는 지구 질량 정도의 행성이 여러 개 발견되었는데, 이들은 탄소 행성일지도 모른다. 또, 은하의 중심은 탄소의 존재비가 커 탄소 행성이 형성되기 쉬운 환경에 있다.

 

통상적인 행성으로서는 [게자리 55번성 e(55 Cancri e)]가 탄소 행성 후보 중 하나이다. 주성인 게자리 [55번성 A(55 Cancri A)]가 탄소가 풍부한 항성이며, 또한 게자리 55번성 e가 지구보다 큰 [슈퍼지구(Super-Earth)]로 표면 온도도 2,000℃ 전후가 되는 고온의 행성이다. 표면은 흑연, 내부는 다이아몬드로 구성되어 있다고 추측된다.