中国の科学者は、100マイクロメートルのサイズの六角形のダイヤモンドを成功裏に合成しました

10年近くの継続的な研究の後、北京高電圧科学研究センターとXi'an Institute of Optics and Fine Mechanics Instituteの国際研究チームである中国科学アカデミーが大きなブレークスルーを行いました。研究者は、高品質のグラファイト単結晶前駆体をマイクロメートルレベルで六角形のダイヤモンドに成功裏に変換し、この成果は30日に国際的に権威あるジャーナルNatureに掲載されました。

 

六角形のダイヤモンド キュービックダイヤモンドに匹敵する機械的特性を示します。単一の炭素炭素結合長のみの立方ダイヤモンドとは異なり、六角形のダイヤモンドは2つの異なる結合長分布特性を示します。中間層間の間隔が大幅に短縮されていることが報告されており、このユニークな炭素原子の積み重ね方法は、立方ダイヤモンドの密なスタッキング表面に滑り込むという固有の衰弱を効果的に克服できると報告されています。

 

六角形のダイヤモンドの統合は、常に科学コミュニティの大きな課題でした。早くも1967年、アメリカの科学者は、六角形の結晶構造のために多くの注目を集めたmet石のクレーターでこの珍しい「スーパーダイヤモンド」を最初に発見しました。しかし、六角形のダイヤモンドの形成条件は非常に厳しいものであり、以前はナノスケールでのmet石とのみ共存することができました。

 

研究チームは、高温および高圧の実験計画を革新的に設計しました。科学者は、レーザー加熱ダイヤモンドアンビル技術を使用して、超高圧および高温条件下でのグラファイトの構造変化に関するin-situ研究を実施しました。実験では、グラファイトは高圧範囲で「グラファイト位相」の高圧構造を形成し、六角形のダイヤモンドが局所加熱によって正常に得られることがわかりました。

 

同時に、研究チームは大規模な分子動力学理論シミュレーションを組み合わせて、六角形のダイヤモンド構造の形成におけるグラファイト層の積み重ね構成の重要な役割を明らかにしました。この発見は、グラファイトがポストグラファイト相を介して六角形のダイヤモンドを形成するための新しい経路を確認し、スーパーハード材料の調製のための新しい技術的方向を開きます。

 

実験データによると、合成された六角形のダイヤモンドは最大155GPAの硬度があり、天然ダイヤモンドを40％以上超えています。真空環境では、その熱安定性は1100度に達する可能性があります。これは、ナノジヤモンドの900度の性能よりも大幅に優れています。これらの優れた物理的特性により、六角形のダイヤモンドは産業用途で大きな可能性を示します。

 

この体系的な研究は、六角形のダイヤモンドの巨視的な存在に関する60年以上の学問的論争を終わらせました。この研究結果は、六角形のダイヤモンドの独立した存在に関する強力な証拠を提供するだけでなく、新世代の高性能官能材料としての開発の確固たる基盤を築きます。このブレークスルーは、スーパーハード材料の分野での技術革新を促進し、関連産業の発展に新しい推進力を注入することが期待されています。

 

何ですか六角形のダイヤモンド？

Lonsdaleiteとも呼ばれる六角形のダイヤモンド（HD）は、すべての炭素原子がSp³hybridizedで四面体が4人の隣接体に結合し、3次元の共有結合フレームワークを形成する炭素の六角形の同種ロープです。 1962年に最初に予測され、1967年にキャニオンディアブロ（アリゾナ州）のmet石物質で特定され、粘り強いキャスリーンロンズデールにちなんで名付けられました。何十年もの間、ナノスケールの断片や障害のある断片的な成長しか利用できなかったため、その存在は明確な段階として存在し、その固有の特性は議論の余地がありました。 2025年、Ho-Kwang（Dave）Mao教授が率いるチームは、高圧科学技術の高度な研究センターで、制御されたクエシ系統型圧力の下で高品質のグラファイト単結晶を圧縮および加熱することにより、ミリメートルサイズの高度に秩序化された単相lonsdaleiteを合成しました。電子顕微鏡では、グラファイト（1010）がHD（0002）およびグラファイト（0002）にHD（1010）に直接変換されたことが明らかになりました。結果として得られるサンプルは、ほぼ純粋なロンズダレイトであり、微量立方ダイヤモンドの欠陥のみを備えており、立方ダイヤモンドの硬度をわずかに上回る硬度を示します。

 

Lonsdaleiteは立方体のダイヤモンドとどう違うのですか？

Lonsdaleite（六角形のダイヤモンド）は、4つの重要な方法でキュービックダイヤモンドとは異なります。

1結晶対称性とスタッキング
•Lonsdaleite：六角形格子、宇宙グループP6₃/MMC。 SP³結合炭素層は、C軸に沿ってAB-ABシーケンスに積み重ねられています。
•キュービックダイヤモンド：フェイスセントレッドキュービック格子、宇宙グループFD-3M。レイヤーはABC-ABCシーケンスに従います。

 

2格子パラメーター
•Lonsdaleite：A≈2.51Å、C≈4.12Å。
•キュービックダイヤモンド：A=3.5668Å。

 

3安定性とエネルギー
•Lonsdaleiteは、Cubic Diamondよりもエネルギーが高い原子あたり〜0.025 eVであり、メタスト可能です。

 

4つの機械的特性
•理論と最近のMMスケールシングルクリスタル合成は、ロンズデレイトがわずかに硬いことを示しています（インデンテーション抵抗〜152 GPA、58％

{0001}平面vsダイヤモンド{111}）でより難しい。
•キュービックダイヤモンドは、硬度のベンチマークのままであり（MOHS 10）、バルクの形でより容易に合成されます。

 

その結果、Lonsdaleiteの六角形の積み重ねとわずかに長い結合ジオメトリは、それをわずかに優れた理論的硬度を与え、一方、立方体のダイヤモンドはより大きな熱力学的安定性と生産の容易さを提供します。