다이아몬드와 흑연

다이아몬드 흑연은 모두 탄소 원소의 결정 형태입니다. 이 사실을 토대로 보면 여러 면에서 비슷할 것이라고 생각할 수 있습니다. 그러나 실제로 그들은 매우 다릅니다. 이는 결정에 관한 몇 가지 중요한 사실을 강조합니다.

다이아몬드와 흑연은 모두 매우 단순한 화학적 조성을 가지고 있습니다. 둘 다 순수한 탄소입니다. 그러나 다이아몬드는 인간이 알고 있는 가장 단단한 광물입니다(10 모스 규모 ), 흑연은 가장 부드러운 것 중 하나입니다(모스 척도에서 1 미만). 결과적으로 다이아몬드는 최고의 연마재인 반면 흑연은 탁월한 윤활제입니다. 다이아몬드는 전기 절연체이고 흑연은 좋은 전기 전도체입니다. 다이아몬드는 일반적으로 투명하지만 흑연은 불투명합니다.

다이아몬드와 흑연 구조

다이아몬드는 분명히 흑연보다 훨씬 더 가치가 있습니다. 흑연은 가격이 너무 저렴해서 연필심을 만드는 데 사용됩니다. 그럼에도 불구하고 흑연은 여러 면에서 다이아몬드만큼 흥미로운 소재입니다. 흑연은 자동차, 항공기, 하이테크 골프 클럽 샤프트 및 테니스 라켓을 만드는 데 사용되는 복합재의 고강도 구성 요소입니다.

그런데 왜 다이아몬드는 그렇게 단단하고 흑연은 그렇게 부드러운 걸까요? 그리고 흑연이 이렇게 부드러운데 어떻게 골프클럽 샤프트나 항공기용 첨단 소재로 쓰일 수 있을까요?

대답은 다이아몬드와 흑연의 서로 다른 원자 구조에 있습니다. 흑연은 탄소 원자가 동일한 평면이나 층에서 강한 결합을 갖지만 위나 아래의 층에는 약한 결합만 갖는 층이나 시트로 형성됩니다. 반면에 다이아몬드의 탄소 원자는 3차원에서 강한 결합을 가지고 있습니다. 다이아몬드에서는 원자가 매우 촘촘하게 채워져 있으며 각 원자는 4개의 다른 탄소 원자와 연결되어 있어 3차원적으로 매우 강하고 견고한 구조를 갖습니다.

흑연의 경우 흑연층 사이의 결합만 약하다. 즉, 층이나 시트를 말아서 섬유로 만들고 해당 섬유를 꼬아서 실로 만들면 결합의 진정한 강도가 분명해집니다. 실은 형태로 성형되고 에폭시 수지와 같은 바인더에 의해 제자리에 고정됩니다. 그 결과 복합재는 모든 재료 중 가장 높은 강도 대 중량 비율을 갖습니다.

다이아몬드와 흑연의 차이점은 보석의 특성에 있어서 결정 구조의 중요성을 강조합니다. 예를 들어, 결정 구조가 완전히 대칭인 입방 결정 습관을 갖는 모든 보석은 중요한 공통 특성을 가지고 있습니다. 입방체는 빛을 모든 방향에서 같은 속도로 굴절시킵니다. 그래서 다이아몬드임에도 불구하고, 석류석 그리고 스피넬 화학적 조성이 상당히 다르며, 모두 단일 굴절 결정 구조가 비슷하기 때문이다. 덜 대칭적인 다른 결정 그룹은 다음과 같습니다. 이중 굴절 사방정계, 단사정계, 삼사계를 포함한 이들 모두는 빛이 결정에 들어갈 때 빛이 어떻게 휘어지는지를 결정하는 특정한 내부 대칭과 축을 가지고 있습니다.