サイエンス

ダイヤモンドを原油から爆速で作る方法が開発される


天然で最も硬い物質として知られるダイヤモンドは、高価な宝石として知られるほか、電子部品やガラス、研削・研磨用の工具など、工業にも応用されており、文明社会にとってはなくてはならない物質です。しかし、人工ダイヤモンドの生産にはどうしても時間がかかってしまうのが難点でした。そんな人工ダイヤモンドを原油由来の物質から一瞬で作り出すことができる技術を、スタンフォード大学の研究チームが発表しました。

Facile diamond synthesis from lower diamondoids | Science Advances
https://advances.sciencemag.org/content/6/8/eaay9405


Modern Alchemy: Stanford Finds Fast, Easy Way to Make Diamonds – “Cheating the Thermodynamics”
https://scitechdaily.com/modern-alchemy-stanford-finds-fast-east-way-to-make-diamonds-cheating-the-thermodynamics/

Stanford scientists turn fossil fuel molecule into pure diamond
https://newatlas.com/materials/synthetic-diamond-stanford-fossil-fuel-molecule/


ダイヤモンドは、地中深くにあるマントルの近くで何億年という長い年月をかけて高温・高圧下におかれることで、炭素分子が結晶化したものです。マントルの近くで生成されたダイヤモンドは火山の噴火によって地表近くまで持ち上げられ、急激な温度低下によって「キンバーライト」と呼ばれる火成岩に含まれる形で、人類の手が届く場所に現れます。こうした珍しい生成プロセスから、ダイヤモンドは入手難度が高く、貴重な鉱石として扱われてきました。

1954年に、アメリカの研究者が2000℃・10ギガパスカル以上を生み出せる装置を使い、史上初めて人工ダイヤモンドの合成に成功。その後、より純度の高いダイヤモンドを合成できる化学気相成長(CVD)法も考案され、技術の進歩とともに人類は天然のダイヤモンドと遜色ない出来の人工ダイヤモンドを合成できるようになりました。人工ダイヤモンドの歴史と作り方については、以下の記事を読めばよくわかります。

天然と区別がつかない人工ダイヤモンドの作り方 - GIGAZINE


しかし、従来の方法では結晶化を促す触媒としてニッケル・コバルト・鉄が必要。また、数億年という年月に比べればはるかに短時間ではあるものの、人工ダイヤモンドの合成には数日から数週間かかり、大量の電力を消費します。そのため、人工ダイヤモンドの製造コストをもっと抑えられるような方法の開発が課題とされてきました。

スタンフォード大学の研究チームは、原油から精製されたトリアマンタンと呼ばれる物質に注目しました。トリアマンタンは炭素と水素で構成された粉末状の物質で、分子構造がダイヤモンドの結晶構造と酷似しているダイアモンドイドの1種です。研究チームはトリアマンタンを、ダイヤモンドアンビルセルと呼ばれる加圧装置に入れ、さまざまな温度・圧力条件に置く実験を行いました。

すると、約626℃・20ギガパスカルという状況で、トリアマンタンに含まれていた水素原子が外れ、炭素原子が整列し、一瞬にして純度が極めて高い人工ダイヤモンドが合成されました。従来の人工ダイヤモンドの合成では、炭素原子がダイヤモンドになるまでいくつかの段階を踏む必要がありましたが、スタンフォード大学の研究チームが発見した方法ではトリアマンタンから直接ダイヤモンドに変化する上に、合成にかかる時間はわずか19マイクロ秒(100万分の19秒)だったとのこと。


ただし、今回の実験でトリアマンタンから生成できた人工ダイヤモンドは非常に小さく、記事作成時点では宝飾にも使えるような大粒な人工ダイヤモンドは合成できないとのこと。スタンフォード大学の地質科学教授を務めるウェンディ・マオ氏は「今回の実験はあくまでも実験室で行われたもので、実用的なものではありません」と述べる一方で「純粋なダイヤモンドを作るための鍵が少しだけ解明されました」とコメントしています。

もしこの技術を応用することができれば、人工ダイヤモンドの合成コストが劇的に下がり、医療や生物工学、量子コンピューティングなどさまざまな分野で人工ダイヤモンドが活用されると期待できます。論文の筆頭著者であるユ・リン氏は「純粋なダイヤモンドを少量でも作ることができれば、用途に合わせて純粋なダイヤモンドを生産できるようになります」と述べました。

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in サイエンス, Posted by log1i_yk

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