ダイヤモンド並みの硬さの素材の開発に成功

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ダイヤモンドは今でも世界で最も硬い物質として知られています。同社は、鋸刃から宇宙船の部品に至るまで、最も過酷な作業向けのツールにおいてトップの地位を占めています。

1980年代後半以来、科学者たちは、搾取的な労働と環境破壊を伴うことが多いダイヤモンド採掘を、窒化炭素と呼ばれる材料に置き換える方法を模索してきた。

窒化炭素の新素材はダイヤモンドに近い硬度を持ち、さまざまな分野での応用が期待されています。

炭素と窒素から形成される窒化炭素は、理論的にはダイヤモンドの硬度に匹敵します。しかし、産業規模のソリューションは長期的には実現可能ではありません。

30年後、エディンバラ大学、バイロイト大学、リンシェーピング大学の科学者からなる国際チームがついにこの超硬質材料の製造において大きな進歩を達成しました。本質的に、科学者は地球の中心に存在する元素の自然条件を再現しなければなりません。

これを実現するために、科学者たちは炭素と窒素を大気圧の70万倍の圧力で圧縮した。同時に、レーザーを使用して材料を華氏2732度（摂氏1500度）まで加熱しました。次に、サンプルは3つの粒子加速器（それぞれフランス、ドイツ、米国に設置）で高強度X線ビームを使用して検査されました。

この研究は2023年10月にAdvanced Materials誌に掲載されました。科学者たちは、非常に高い硬度を持ち、常温常圧の状態に戻してもダイヤモンドのような特性を保持する3種類の窒化炭素化合物を発見した。

「新しい窒化炭素材料の発見により、研究者たちが30年間夢見てきた材料の創造について考え始めています」と、エディンバラ大学の研究共著者であるドミニク・ラニエル氏は述べた。 「これらの材料は、高圧材料の合成と産業用途の融合をさらに進めます。」

さらに研究を進めると、この新素材には、光を発したり、小さな体積で高エネルギー密度を蓄えたりする能力などの追加特性があることも判明した。

窒化炭素は天然ダイヤモンドの完全な代替品ではありません。ダイヤモンドの硬度は約 90 ギガパスカル (GPa) ですが、立方晶窒化ホウ素の硬度は約 50 ～ 55 GPa にしか達しません。新しい炭素窒化物化合物。結晶構造に応じて、約 78 Gpa から 86 Gpa に達します。数字の差はそれほど大きくありませんが、ダイヤモンドのナンバーワンの座を獲得するにはそれだけでは不十分です。

科学者が作成した新しい材料サンプルの大きさはわずか5×3マイクロメートルです。さらに大きなサンプルを作るには、より大きなダイヤモンドとさらに大きな圧力が必要となり、新しい超硬質窒化炭素は極めて高価なものとなる。

しかし、この素材は従来のダイヤモンドに比べて電気信号を生成できるという利点があり、センサーに使用すると便利な機能があるため、コスト削減が目標となるだろう。

ヴィエット（出典：PopMech）

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