カーネギー研究チーム、アモルファスダイアモンドを合成

September, 5, 2017, Washington--カーネギー(Carnegie Science)高圧物理学チームは、ダイヤモンドと同程度に硬いがアモルファスである炭素形態を実現した。これによりダイヤモンドの結晶構造の大規模な構造的反復がなくなる。研究成果は、Nature Communicationsに掲載されている。
　炭素は見たところ無限の可能性がある元素である。その電子の構成が多くの自己結合の組合せを可能にし、多様な特性を持つ一連の材料が生まれるからである。
　例えば、石炭のような形態にはアモルファスとなるものがあり、結晶を作る長い繰り返し構造が欠如している。
　炭素の他の形態は結晶で、透明、超硬質のダイヤモンドと、柔らかく不透明なグラファイトの両方が含まれる。それらは異なる特性である。これは、一部、構成する炭素原子の結合が異なる構成となっているからである。ダイヤモンドは、いわゆるsp3結合構成であり、グラファイトの炭素はsp2結合で維持されている。
　これらの物質を形成する炭素結合の構成の変化は、例えば温度や圧力など、外部条件を変えることで誘導可能である。水が凍って氷になり、沸騰して蒸気になる仕方と同様である。
　カーネギーの研究チームは、超高圧を用いてアモルファスダイヤモンドの新しい形態を発見した。
　炭素に似た他の元素、ゲルマニウムやシリコンは、極めて強力なsp3結合で構成された形態を持つが、それにもかかわらずアモルファスである。しかしこれまでは、炭素の同様の相は合成されたことがなかった。
　研究チームは、ガラス状炭素という炭素の構造破壊形態を通常大気圧の約50万倍(50ギガパスカル)、約華氏2780度(1800K)にすることでアモルファスダイヤモンドを造ることができた。これは、アモルファスダイヤモンドの作製では、これまでに探求されたことがなかった温度と圧力の範囲である。
　作製したサンプルは、一度環境温度と圧力に戻ると、その構造的変化と非圧縮性を維持した。さらに、アモルファスであり結晶の秩序がないにも関わらず、高度な分光計により、その新材料の特徴がsp3結合であることが示しされた。
　「われわれのアモルファスダイヤモンドは、稠密、透明、超高強度で、潜在的に超硬質であり、未だ発見されていない信じられないような特徴を備えている」と、Zengは説明している。
　このアモルファスダイヤモンドの特性研究の次のステップは、その硬さ、強度、光学特性、熱安定性の計測である。