現在知られている最も強靱な物質はダイヤモンドであるが、同じ炭素から構成される8原子の体心立方(BC8)結晶はダイヤモンドよりも圧縮に対する抵抗力が30％大きく、より強い材料になると予測されている。炭素のBC8は地球上では発見されていないが、炭素が豊富な太陽系外惑星の中心に存在すると考えられている。
この炭素の結晶性高圧相は、理論的には1000万気圧を超える圧力下で最も安定な炭素相であると予測されている。
米国とスウェーデンの物理学者らは、スーパーコンピューター上で量子力学的な分子動力学シミュレーションを行い、ダイヤモンドが不安定になるはずの温度まで上昇したときの高圧力下での挙動を調べ、ダイヤモンドの炭素原子をこの特異な構造に押し上げる条件について新たな手がかりを得た。
論文の主執筆者である南フロリダ大学（USF）の物理学教授Ivan Oleynik氏は、「常圧条件下での炭素のBC8相は、おそらくダイヤモンドよりも強靭な新しい超硬質材料になるでしょう」と語った。
BC8相は既にシリコンとゲルマニウムで観測されている。この高圧相は、常温まで回復可能であり、理論的には炭素のBC8相も常温で安定であるはずだ。ローレンスリバモア国立研究所の科学者で共著者のJon Eggert氏は、ダイヤモンドがこれほど硬い最も重要な理由は、ダイヤモンド構造中の4つの最近接原子の四面体形状が、周期表の14列元素（炭素から始まり、ケイ素、ゲルマニウムと続く）の4つの価電子の最適配置と完全に一致するためであると述べている。
「BC8構造は、この完全な四面体の最近接面形状を維持していますが、ダイヤモンド構造に見られる劈開面はありません。BC8相の炭素は、常温ではダイヤモンドよりもはるかに強靭である可能性が高いです」と、Eggert氏は述べている。
しかし、BC8炭素は常温で存在できるはずだが、実験室で合成しようとしてもうまくいかない。南フロリダ大学の物理学者Kien Nguyen Cong氏が率いる研究チームは、スーパーコンピューティングの力を借りて、こうした試みがどこで間違っているのかを突き止めようとした。
研究者らは、オークリッジ国立研究所のスーパーコンピューター「Frontier」を用いて、非常に高い範囲の圧力と温度条件下での個々の原子間の相互作用を記述するシミュレーションを開発した。Frontierは現在世界最速のスーパーコンピューターだ。このシミュレーションをFrontier上で実行したところ、極限状態における数十億個の炭素原子の進化を再現することができた。
その結果、BC8炭素の合成が困難であった理由が明らかになった。
Oleynik氏はは、「我々は、ポストダイヤモンドBC8相は、炭素相図の狭い高圧高温領域でしか実験的にアクセスできないだろうと予測していました」と説明する。
言い換えれば、BC8炭素が形成されうる非常に狭い高圧高温領域しかなく、これまでのところ実験はその条件を満たしていない。さらに、この研究では、BC8合成が可能になるこの非常に限定された領域にアクセスするための実行可能な圧縮経路を予測している。条件がわかった今、BC8炭素の合成がついに可能になるかもしれない。
研究者たちは現在、国立点火施設で、理論に基づいた実験に取り組んでいる。
論文
- The Journal of Physical Chemistry Letters: Extreme Metastability of Diamond and its Transformation to the BC8 Post-Diamond Phase of Carbon
参考文献
- Lawrence Livermore National Laboratory: Supercomputer simulations of super-diamond suggest a path to its creation
研究の要旨
ダイヤモンドは、炭素と炭素の結合が非常に強いため、非常に高い圧力と温度で構造変化を起こしにくいという優れた物理的性質を持つ。幾度かの実験的試みにもかかわらず、理論的に予測されるポストダイヤモンドBC8相の合成と回収は、いまだ達成されていない。私たちは、量子的精度を持つ数百万原子の分子動力学（MD）シミュレーションにより、超高圧下におけるダイヤモンドの極端な準安定性を明らかにしました。その結果、ポストダイヤモンドBC8相は、炭素相図の狭い高温高圧領域でのみ実験的にアクセス可能であることがわかった。ダイヤモンドからBC8への相転移は、準安定炭素液体中でのBC8の核生成と成長に続く予融解によって進行する。われわれは、BC8合成のための二重衝撃圧縮経路を提案し、現在National Ignition Facilityで実験が行われている。
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