古代の隕石から見つかった超硬質ダイヤモンドの組成が明らかになり、超硬質材料の製作に繋がる可能性

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現在地球上に存在する自然由来の物質で最も硬いものは、モース硬度10の「ダイヤモンド」であるが、実は理論的にはこのダイヤモンドよりも6割近くも硬度が高い物質が存在する。それは、「ロンズデーライト別名、六方晶ダイヤモンドと呼ばれる炭素の同位体だ。この超硬質ダイヤモンドは珍しい種類の隕石から1967年に検出されたことで存在が確認されたが、どうやって形成されたのか、その理由はこれまで謎だった。

モナシュ大学、RMIT大学、CSIRO、オーストラリア・シンクロトロン、プリマス大学の研究チームは、約45億年前に古代の矮小惑星が大きな小惑星と衝突した直後に、このロンズーデライトが形成された可能性を示す証拠を発見したという。もし研究者たちが正しければ、この結晶の起源は、その物質そのものと同じくらい衝撃的なものになるだろう。

研究チームは、矮小惑星のマントルから採取したユレイライト隕石から、六角形の珍しいダイヤモンドであるロンズデール石を発見したことを確認した。ロンズーデライトは、英国王立協会に女性として初めてフェローに選出された著名な結晶学の先駆者、デイム・キャスリーン・ロンズデールにちなんで名づけられた炭素の同位体だ。

「ユレイライトはエイコンドライトと呼ばれるタイプの隕石で、基本的には非常に高い温度で、おそらく小惑星の奥深くで形成されたことを意味します。 希少なウレイライトであることを示す1つの決定的な証拠です。ダイヤモンドですたくさんのダイヤモンド。」と、モナシュ大学の地質学の教授で、今回の研究を主導したAndy Tomkins教授は語る。

「ユレイライトには3〜7パーセントの炭素が含まれています。そして、その炭素の大部分がダイヤモンドなんです。」とTomkins氏は続ける。

研究者たちはこれまで、ダイヤモンドは巨大衝突の衝撃から生まれたか、あるいは、かつて太陽系に存在した水星サイズの惑星の内部で成長したのではないかと考えていた。

しかしTomkins教授とその共同研究者たちは、このダイヤモンドはまったく別の方法で成長したと考えている。つまり、現在の実験室で成長するダイヤモンドの製造方法を模倣した方法で成長したのだ。そして、その過程で、ダイヤモンドよりもさらに希少な炭素が生成されたのである。

研究チームは、この研究成果を米国科学アカデミー紀要(PNAS)に発表した。

ダイヤモンドは、私たちの体を構成する元素と同じ炭素原子が特別に配列されたものだ。ダイヤモンドの炭素原子は立方体に配列され、それが何度も繰り返されて、超硬質で超光沢のある結晶を形成される。。

しかし、この原子を六角形に配置し、適切な温度と圧力をかけると、ロンズーデライトと呼ばれる、ダイヤモンドよりもさらに硬い可能性のある珍しい炭素が形成されるのだ。

研究チームの一人、RMIT大学のDougal McCulloch氏によると、ロンズーデライトは六角形の形をしているため、地球上で見られるダイヤモンドよりも硬いダイヤモンドだと考えられている。ちなみに、我々が普段目にするダイヤモンドは立方体だ。

また、研究チームは、ロンズーデライトの異なる構造は、採掘用途の超硬質材料の製造技術を強化する方法となり得ると述べている。

McCulloch教授とMathew Field博士、Alan Salek博士からなるRMITチームは、世界中に散らばった18個のユレイライトを集め、高度な電子顕微鏡を使って、ユーレイライト隕石から無傷のスライスや固体試料を採取した。これらの試料は、ロンズーデライトや地球のダイヤモンドがどのように形成されるかを示すスナップショットを作成する。

Tomkins氏は、ユレイライトは、母天体の超高温マントルの中で部分的に液化した岩石として誕生したと考えている。小惑星が衝突によって破壊されたとき、マントルのかけらは宇宙空間に飛び散り、そこで急速に冷やされた。

その際、マントルの中に溶けていた水素や一酸化炭素、硫化水素などのガスが溶け出してきた。衝突によってできた岩石とガスの雲の中の条件は、ダイヤモンドの成長にちょうどよかったのだとTomkins氏は考えている。

「この異常なガスの混合物がいたるところにあり、それが反応を起こしているのです。正しいガスの混合物があれば、炭素にダイヤモンドを形成し始めることができるのです。」とTomkins氏はINVERSEに述べている。

巨大衝突の後の高温、低圧の状態は、実は、今日、研究室でダイヤモンドを成長させるのに使われている技術に似ているとのことだ。

また、ロンズーデライトを形成するのに最適な条件であることも判明した。Tomkins氏によれば、小惑星のマントルから採取した黒鉛は、衝突の余波で基本的に分子レベルで折り畳まれており、その過程で最終的にロンズーデライトが形成されたとのことである。ロンズーデライトの結晶は、隕石の中で最も大きく、1/2ミクロン(500ナノメートル)以上の大きさであることが確認された。

RMITの顕微鏡・微小分析施設のディレクターであるMcCulloch氏は声明の中で、「この研究は、ロンズーデライトが自然界に存在することを断固として証明するものです。私たちは、これまでに知られている中で、最大1ミクロンの大きさのロンズーデライトの結晶を発見しました。人間の髪の毛一本よりもずっとずっと細いのです。」と述べています。

この発見は、科学者が地球上でロンズーデライトを作るのに役立つかもしれないと、この論文は示唆している。

Tomkins氏は、「その後、環境が冷却し、圧力が低下すると、ロンズーデライトは部分的にダイヤモンドに置き換わりました。このように、自然界は、産業界で再現できるプロセスを提供してくれているのです。あらかじめ成形されたグラファイトの部品がロンズーデライトに置き換わることを促進する産業プロセスを開発できれば、ロンズーデライトは小さな超硬質機械部品を作るために利用できると考えています。」と述べている。

実際にロンズーデライトを作ることが出来る様になれば、地球上で最も硬く強いとされるダイヤモンドよりもさらに硬い物質ができるかもしれない。ダイヤモンドの硬度は、工業用途、特に切削工具として有用である。

論文の概要

ユレイライト隕石は、矮小惑星のマントルから採取された唯一の大型試料であり、既知のどの岩石よりも豊富なダイヤモンドを含んでいるのが一般的である。また、ダイヤモンドよりも硬いロンズデール石を含むものもある。ここでは、電子顕微鏡を用いて、ユレイライト中に共存するロンズーデライト、ダイヤモンド、グラファイトの相対的な分布図を作成した。これらのマップから、ロンズーデライトは多結晶体として存在する傾向があり、時には特徴的なフォールド形態を持ち、リムや横断脈では部分的にダイヤモンドとグラファイトに置き換わっていることがわかった。これらの観察は、多くの推測や一見矛盾するような観察にもかかわらず、これまで解決されていなかったユーレライト中の炭素相の形成方法について強い証拠を与えるものである。我々は、ロンズーデライトは、急速な減圧と冷却の間に超臨界C-H-O-S流体によって促進された一次グラファイト形状の疑似形態置換によって形成されたことを示唆する。ダイヤモンド+グラファイトは、ロンズーデライトの後に、C-H-O-Sガスとの継続的な反応によって形成された。このグラファイト>ロンズーデライト>ダイヤモンド+グラファイトの形成プロセスは、工業的な化学気相成長法に似ているが、より高圧(約1-100 bar)で行われるため、工業用途の成形ロンズーデライトの製造につながる道筋を示すものである。また、このプロセスは、ダイヤモンド形成に関連するすべての矛盾した観測を調和させることができる、ユニークなユレイライトのモデルを提供する。

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