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その輝きと共に、自然が作り出した最も硬い物質としても知られているダイヤモンドは、長らく孤高の存在であったが、エジンバラ大学の研究者らが新たに作りだした物質は、その地位を脅かす存在になるかも知れない。彼らは、破壊がほとんど不可能であり、硬さにおいてダイヤモンドに匹敵する超硬質素材の開発に成功した事を報告している。

エジンバラ大学極限環境科学センターの研究者が率いる国際研究チームは、炭素と窒素の前駆体を合成して「窒化炭素」として知られるこの物質を作り出した。これは、少なくともこれまでダイヤモンドに次いで硬い物質である立方晶窒化ホウ素の硬度を超えていることが確認されている。

エジンバラ大学の発表によれば、窒化炭素は熱に強く、「超硬度に必要な構成要素」を含んでいるとのことだ。

エジンバラ大学のDominique Laniel教授は、「この新しい窒化炭素材料の第一号が発見された時、研究者たちが過去30年間夢見てきた材料ができたことに信じられない思いでした。これらの材料は、高圧材料合成と産業応用のギャップを埋める強い動機となります」と、述べている。

窒化炭素の可能性は1980年代から理論的には提唱されていたが、それを作り出すことはこれまで叶わなかったのだ。

この材料は、炭素と窒素の前駆体が特定の条件下で反応する手順で合成される。

「CN4四面体からなる三次元骨格を特徴とする窒化炭素は、材料科学の大きな望みのひとつです」と研究者たちは述べている。

C3N4
ダイヤモンドアンビルの表面をへこませたC3N4多形体(試料#4)の超硬度の実験的証拠。 (Credit: Laniel et al.)

この前駆体には、炭素を多く含む化合物や窒素を含む物質が含まれることが多く、今回のケースでは、tI14-C3N4、hP126-C3N4、tI24-CN2が、レーザー加熱技術を用いた特殊なダイヤモンドアンビルセル内で生成された。

ダイヤモンドアンビルセルの条件には、高温高圧、化学蒸着、レーザー加熱、水熱/ソルボサーマル法などがある。

これらの前駆体をこれらの条件にかけることで、研究者は、さまざまな用途に適した明確な構造と特性を持つ、さまざまな形態の窒化炭素を作り出すことができる。

この研究によると、これらの化合物の構造は、放射光単結晶X線回折を用いて決定され、精密化された。

窒化炭素の生成

さらに研究者たちは、さまざまな種類の炭素と窒素の前駆体を、大気圧の100万倍に相当する70~135ギガパスカルの圧力にさらした。同時に、これらの前駆体を摂氏1.5千度を超える温度に加熱した。

このような極限状態のもとで、フランスの欧州シンクロトロン研究施設、ドイツのドイチェス・エレクトロネン・シンクロトロン、そしてアメリカのアドバンスト・フォトン・ソースの3つの粒子加速器で、試料に強力なX線ビームを照射しなければならなかった。

その結果、実験に供された3種類の化合物はすべて、「常圧・常温に戻してもダイヤモンドのような性質を保っていた」と同大学は述べている。

「物性調査の結果、共有結合で強く結ばれたこれらの材料は、超非圧縮性で超硬質でありながら、高いエネルギー密度、圧電特性、フォトルミネッセンス特性も有していることがわかりました」と研究者らは述べている。「この新しい炭素窒化物は、100 GPa以上で生成されるため、高圧材料の中でもユニークなものであり、大気中の常温条件下で回復可能です」。

研究者らは声明の中で、この画期的な成果は、自動車や宇宙船の保護膜、高耐久性切削工具、ソーラーパネル、光検出器など、工業用途の多機能材料への道を開いたと強調している。

さらなる計算と実験的調査から、新たに発見された物質は、フォトルミネッセンスや高エネルギー密度といった特別な特性を持っていることも示唆された。

研究者たちによれば、この高いエネルギー密度は、比較的小さな質量内に大量のエネルギーを蓄える能力を示唆しているという。

リンシェーピン大学物理・化学・生物学部助教授のFlorian Trybel博士は「これらの材料は、その多機能性において傑出しているだけでなく、技術的に関連する相が、地球内部の数千キロメートルに見られる条件と同等の合成圧力から回収できることを示しています。私たちは、この共同研究がこの分野に新たな可能性を開くと強く信じています」と述べている。


論文

参考文献

研究の要旨

CN4四面体からなる三次元骨格を特徴とする炭素窒化物は、ダイヤモンドを超える、あるいはダイヤモンドに匹敵する硬度を持つことが期待されており、材料科学の大きな願望の一つである。30年以上にわたる合成の努力にもかかわらず、その存在を明確に示す証拠は得られていない。ここでは、3種類の炭素-窒素化合物、tI14-C3N4、hP126-C3N4、およびtI24-CN2を、レーザー加熱したダイヤモンドアンビルセル内で高圧高温合成した結果を報告する。これらの構造は放射光単結晶X線回折を用いて決定され、精密化された。物性を調べた結果、これらの強い共有結合を持つ材料は、超非圧縮性で超硬質であり、高いエネルギー密度、圧電特性、フォトルミネッセンス特性も持っていることがわかった。この新しい炭素窒化物は、100 GPa以上で生成され、大気中、常温で回復可能であることから、高圧力材料の中でもユニークなものである。

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