超硬材料の新時代
中国の研究者らが、世界中の科学者が60年以上追い求めてきた「バルク状態の純粋な六方晶ダイヤモンドの合成」を成し遂げた。科学誌ネイチャーに掲載されたこの成果は、科学者がこの希少な炭素同素体をミリメートルサイズの試料として合成した初の例となる。この物質は、モース硬度で長年にわたり最上位を占めてきた従来の立方晶ダイヤモンドよりも硬いと理論的に予想されている。
鄭州大学、吉林大学、高圧科学技術先進研究センターの物理学者で構成される研究チームは、六方晶ダイヤモンドが独立した物質として存在するかどうかを巡る長年の科学的論争に、実質的な終止符を打った。1967年にアリゾナ州の隕石で初めて発見されたロンズデーライトは、単なる欠陥のある立方晶ダイヤモンドではなく、独特の性質を持つ炭素の実在相であることが研究によって確認された。その性質は、工業製造、宇宙航空工学、量子センシング技術を革新する可能性がある。
地球のマントル深部で立方晶の原子配列を持つ天然ダイヤモンドが形成されるのとは異なり、六方晶ダイヤモンドは炭素原子をハニカム状の格子構造に整列させる。この構成は層間の結合をより短く強くし、切削工具、掘削装置、高性能電子機器に用いられる従来のダイヤモンドと比べ、優れた硬度と熱安定性をもたらす可能性がある。
この合成は、単なる実験室での発見にとどまらない。数十年にわたり、試験に十分な量の純粋な六方晶ダイヤモンドを作れなかったため、その理論上の性質はあくまで理論の域を出なかった。これまでの試みで得られたのは、わずかナノ秒しか持続しないナノスケール結晶や、黒鉛と立方晶ダイヤモンドに汚染された混合物だけで、正確な特性評価は不可能だった。直径100マイクロメートルから1.8ミリメートルの結晶を作り出した中国チームにより、この捉えどころのない物質の包括的な機械的試験が初めて可能になった。
60年の科学的論争
六方晶ダイヤモンドの物語は1962年、ピッツバーグ石炭研究センターの研究者らが、炭素原子が馴染み深い立方晶構造ではなく六方晶格子を取る可能性を初めて提案したことに始まる。この理論上の変型は、独特の結合構成によって硬度向上が期待されたが、その存在を証明するにはさらに5年を要し、地球外からの運ばれた試料が必要となった。
1967年、アリゾナ州バリンジャー・クレーターのキャニオン・ディアブロ隕石の破片を調査していた地質学者らが、新鉱物の発見を発表した。ベンゼンの構造を解明した先駆的な結晶学者キャスリーン・ロンズデール女史にちなみ、ロンズデーライトと名付けられたこれらの六方晶ダイヤモンドは、約5万年前に隕石が地球に衝突した際に生じた極限の熱と圧力の下で形成されたように見えた。同様の痕跡はその後、インド・アッサム州のゴアルパラ隕石でも見つかった。
しかし、称賛は早すぎた。批評家らは、これらの試料は真の六方晶ダイヤモンドではなく、六方晶対称性に似た外観を示すだけの、積層欠陥や不規則な欠陥を持つ立方晶ダイヤモンドだと主張した。2021年には、これまでに特定されたロンズデーライト試料はすべて、誤って分類された立方晶ダイヤモンドの変種であるとする研究が発表された。純粋な六方晶ダイヤモンドを論争を決着させるのに十分な量で生成した実験室は存在しなかったため、懐疑論は続いた。
ブレークスルーへの設計
中国チームの成功の鍵となったのは、六方晶ダイヤモンドの熱力学的不安定性に対処する、新規の高圧・高温技術の開発だった。立方晶ダイヤモンドは2テラパスカルまでの圧力範囲で、sp3結合した炭素として最も安定な形態であり続けるが、研究者らは、前駆体の形態と合成条件を慎重に制御し、六方晶ダイヤモンドの生成を速度論的に制御する必要があると考えた。
原子層が整然と配列した合成炭素材料である高配向熱分解黒鉛を用い、研究者らは、高強度で高密度な酸化アルミニウムを用いたピストンシリンダー圧縮機を多面砧圧機に組み込んだ独自の装置を開発した。この構成により、炭素シートに対して垂直なz軸方向に主として黒鉛を圧縮することが可能になり、横方向からの圧縮を避けられた。
試料は20ギガパスカル、海面における地球大気圧の約20万倍の圧力で10時間圧縮された。温度は華氏2,300度から3,450度（摂氏1,300度から1,900度）の範囲だった。X線その場回折によるリアルタイム観測によって、科学者らは微視的な変換過程を観察できた。その結果、六方晶黒鉛が層間のすべりと黒鉛シート間の直接結合によって六方晶ダイヤモンドへ変化する、マルテンサイト変態であることが確認された。
優れた性能の測定
ようやくミリメートルサイズの試料が得られたことで、研究チームは決定的な機械的試験を実施できた。ビッカース硬度試験などの手法を用いて、引っ掻きや変形に対する材料の抵抗を測定した。その結果、六方晶ダイヤモンドの硬度は114〜165ギガパスカルに達し、天然の立方晶ダイヤモンドの約110ギガパスカルを上回った。これは大幅な硬度向上を意味するが、初期の理論予測で想定されていた50％の向上にはやや届かない。
硬度に加え、この材料は摂氏1,100度まで酸化に耐える、卓越した熱安定性を示した。この性質は、工業的な掘削や切削作業中に高温の酸素へさらされると表面欠陥が生じうる立方晶ダイヤモンドの重要な限界を克服する。六方晶構造の剛性と耐酸化性は、従来のダイヤモンドが使えなくなる過酷な環境での応用を示唆している。
高分解能透過型電子顕微鏡による構造評価では、六方晶ダイヤモンドを特徴付ける、くぼみを持つハニカム層のAB積層が確認された。分光分析では、すべての結合がsp3シグマ結合であり、残存する黒鉛汚染を示すsp2パイ結合は存在しないことが明らかになった。注目すべきことに、層間の1つの結合は他の3つより短く、立方晶ダイヤモンドと比べて構造強度が向上する理由を説明していた。
産業と科学への応用
バルク状態の六方晶ダイヤモンドの作製は、従来は立方晶ダイヤモンドの性能上限によって制限されていた応用への道を開く。研究の共同筆頭著者で鄭州大学の物理学者である単崇新氏は、有望な分野を複数挙げた。
切削工具、熱管理材料、量子センシングなど、多くの分野で応用の可能性があります
と単氏はネイチャー誌に語った。
宇宙航空・防衛分野は特に恩恵を受ける可能性が高い。六方晶ダイヤモンドの優れた硬度と熱安定性は、極限の精度と耐久性が求められる機械加工や掘削用途に理想的だ。採掘の制約や倫理的懸念に左右される天然ダイヤモンドとは異なり、実験室で育成された六方晶ダイヤモンドは、性能特性を高めた持続可能な代替材料となる可能性がある。
地質学の面では、この合成は隕石衝突過程について重要な知見をもたらす。極限の圧力と温度条件で六方晶ダイヤモンドがどのように形成されるかを理解することは、衝突事象の特定や、太陽系の惑星形成史の再構築に役立つ。キャニオン・ディアブロなどの隕石にロンズデーライトが存在するのは、中国チームが再現に成功した特定の衝撃変成条件の産物として、現在では説明できる。
国際的な科学的検証
この研究は、国際的な科学界から大きな注目を集めている。ネイチャー誌で本研究を査読したネバダ大学ラスベガス校の結晶学者オリバー・トショーナー氏は、研究結果を強く評価した。
見たと主張する人は数え切れないほどいますが、この捉えどころのない物質がこれほど正確に評価されたのは初めてです
とトショーナー氏は述べた。
炭素同素体の研究に取り組んできた東京大学の無機化学者中村栄一氏は、方法論上の重要性を強調した。
この新しい2段階法は、六方晶ダイヤモンドが独立した回収可能なバルク材料であることを示す、初めての決定的な証拠を提供するものです
と中村氏は語った。
高圧科学の専門家で、中国科学院外籍院士の毛河光氏は、材料科学へのより広範な影響を指摘した。
この合成六方晶ダイヤモンドは、超硬材料やハイエンド電子機器の開発に新たな道を切り開くと期待されます
と毛氏はサウス・チャイナ・モーニング・ポストに語った。
こうした期待の一方で、商業化までには課題が残ると研究者らは認めている。合成に必要な特殊な高圧装置により、現在の生産能力は限られており、初期の応用は大衆向け宝石ではなく、精密科学機器や特殊な工業用切削工具など、高付加価値のニッチ市場に集中する可能性が高い。
要点
- 中国の科学者らは、ミリメートルサイズの純粋な六方晶ダイヤモンド（ロンズデーライト）を初めて合成し、独立した物質としての存在を巡る60年間の科学的論争に終止符を打った。
- この材料の硬度は114〜165ギガパスカルで、天然の立方晶ダイヤモンドの約110ギガパスカルを上回る。また、摂氏1,100度までの優れた熱安定性を示す。
- 研究者らは、高配向熱分解黒鉛を20ギガパスカル（大気圧の20万倍）、摂氏1,300〜1,900度で10時間圧縮し、変換を実現した。
- 応用候補には、先端切削工具、電子機器用熱管理システム、量子センシング装置、極限の耐久性が求められる宇宙航空部品などが含まれる。
- この成果は、六方晶ダイヤモンドが独立した炭素相として存在するのか、単に欠陥のある立方晶構造にすぎないのかを巡る長年の懐疑論に決着を付けた。
