다이아몬드의 단위격자(unit cell)
광물결정의 특징은 내부 구조가 매우 일정한다는 것이다. 그 이유는 수많은 동일한 단위격자( unit cell)들로 이루어졌기 때문이다. 단위격자는 특징적인 화학성분과 광물의 기본적인 결정구조를 지닌 가장 작은 원자 그룹이다. 단위격자의 구조는 결정 전체에 반복되는 패턴의 기준을 정해준다.
다이아몬드의 단위격자의 핵심은 네 개의 사면체(tetrshetrons) 들로 이루어져 있는데, 이들은 전자를 공유하는 강한 고유결합 방식으로 묶여있다. 사면체에서 각 코너의 원자는 또 다른 단위격자의 원자에 연결되어 있다. 사면체의 바깥 원자들은 또 다른 사면체들의 원자로 결합되어 있고, 계속적으로 같은 패턴으로 각 사면체의 원자들은 서로 결합된다.
다이아몬드의 탄소 원자는 매우 놓은 압력 하에 결합되어 강하게 맞물린 원자 구조를 형성한다. 다이아몬드 원자들은 다른 어떤 천연 물질의 원자들보다도 더 가깝게 결합되어 있다. 이것이 다이아문드의 경도가 뛰어난 이유이다.
단위격자들이 결합하여 결정 내부의 원자 구조를 알려주는 결정형태 ( Crystal shape or crysltal form )를 이룬다. 다이아몬드의 단위격자는 정육면체(Cube sheped)로, 다양한 여러 가지 모양들로 형성될 수 있다. 이것은 장난감 블록을 쌓는 것과 같다-완성된 모양은 블록 자체의 모양보다는 어떻게 블록들이 쌓였느냐에 달려있다. 예를 들면, 정육면에 블록들은 피라미드도 만들 수 있고 좀 더 큰 정육면체도 만들 수 있다.
광물의 기본적인 결정 형태를 광물의 해빗 (habit)이라 부른다. 다이몬드의 해빗을 여덟 개의 삼격형의 면으로 이루어진 팔면체 ( octahedron )이다. 완벽한 팔면체 다이아몬드는 글래시 ( glassie )라고 부르는데 모든 광물 결정 중에서 가장 놀라운 형태라 할 수 있다. 그러나, 이런 팔면체는 단지 이상적인 형태일 뿐이다. 완벽한 형태의 팔면체 원석은 매우 희귀하기 때문에, 연마된 보석으로 쓰이기보다는 수집가의 수집품으로 간직된다.
다이아몬드의 결정 구조
대부분의 광물에서 원자의 규칙적이고 반복적인 내부 배열을 결정구조 (Crystal structure), 또는 결정격자(Crysltal lattice)라고 부른다. 결정구조는 광물의 특성에 지대한 영향을 미친다. 백 만불짜리 왕관의 다이아몬드나 10센트 자리 연필의 흑연은 모두- 탄소-로 이루어져 있다. 결정구조가 커다란 차이를 만드는 것이다.
광물학자와 보석학자는 기하학적 성질과 내부 결정구조의 대칭성에 따라 결정을 분류한다, 이러한 분류를 결정정계(Crystal systeme)라고 부른다. 다이아몬드는 큐빅(정육면체) 정계에 속하며 등축정계 ( isometric )라고도 한다. 큐빅정계는 가장 대칭적이다 : 잘 형성된 정육면체 결정들은 고르게 조화와 균형을 이룬다. 가아넷, 스피넬, 플레티넘(platinum), 금 등은 모두 큐빅정계의 광물이다.
결정구조는 연마할 때 특별히 중요하다. 어떤 방향에선 다이아몬드 결정의 원자들이 다른 방향에서보다 서로 가깝게 위치하기 때문에 원자들 간의 결합을 강하게 만들어, 이방향으로 쏘잉을 하거나 폴리슁 하는 것이 부적합하게 만든다.
반면, 어떠한 방향에선 탄소원자의 수가 적어서 원자 간의 간격이 다른 방향에 비해 넓다. 이런 경우, 위치를 잘 잡아서 광물을 치면 이러한 방향들 중의 하나와 평행하게 평평한 면으로 쪼개진다. 이것을 클리비지(Cleavage :벽개) 방향이라 부른다. 이 는 책 페이지 사이의 공간들과 같다. 책을 가로로 찢는 것보다 세로로 더 쉽게 페이지를 분리할 수 있다.
재미난 과학 상식 - 결정형태의 명칭 정하기
수학자들과 광물학자들은 모양과 숫자를 표시하는 그리스어를 사용해서 기하학적인 결정형태들의 명칭을 만들었다. 그리스어가 이와 같이 사용될 때 이를 "roots"라고 부른다. 그리스어의 어근( roots)을 알게 되면 이로부터 생성된 단어들의 의미를 알 수 있을 것이다. 숫자의 어근은 다음과 같다.
트리스 (Tris) =3
테트라 (Tetra ) =4
핵사 (Hexa) =6
옥타 (Octa) =8
도데카 (Dodeca) =12
각각의 어근들은 결합하여 좀 더 큰 숫자를 만들 수 있다.
테트라핵사 (Tetrahexa) 4*6 = 24
트리스옥타 (Trisocta) 3*8 = 24
핵스옥타 (Hexaocta) 6*8 = 48
그리고 면이란 의미의 "hedron"(히드런)을 각 단어의 마지막에 붙여준다. 따라서 옥타히드런은 8개의 면을, 도테카히드런은 12개의 면을, 트라스옥타히드런은 24개의 면을 가지고 있다.