「ダイヤモンドよりも硬い物質」を作成

米国と中国の研究者チームが、ダイヤモンドに匹敵するか、それより硬い可能性がある物質を作成した。

シカゴ大学、ニューメキシコ大学、燕山大学、吉林大学、河北工業大学の研究者たちが、窒化ホウ素の粒子を固めて圧縮し、超硬化した「ナノ双晶型立方晶窒化ホウ素」を作成したのだ。

結果として生まれたこの透明な塊は、工業材料の硬さを表す尺度である「ビッカース硬度」が108GPaで、人工ダイヤモンド の100GPaよりも硬い（天然ダイヤモンド のビッカース硬度は70から150GPa）。

立方晶窒化ホウ素

ヨンジュン・ティアンをはじめとする研究者たちが素材として使ったのは窒化ホウ素の粒子だ。脆いバラの花に少し似ている（あるいはティアン氏が言うように、マトリョーシカ人形のような）玉ねぎ状のこの粒子を、摂氏1,800度で15GPaの圧力（車のタイヤの空気圧の約68,000倍）をかけて圧縮すると、再結晶によってナノ双晶構造が形成される。

ナノ双晶構造では、隣接する原子同士が、集合住宅のように境界を共有する。そして一部の集合住宅がそうであるように、隣り合うふたつの原子は互いに同じ形になっている。

一般に、物質を硬くするには、粒子を小さくして物が突き刺さりにくくする。粒子が小さければ、物が入り込む粒子間の空間が少なくなるからだ。ただし、この方法は壁にぶち当たる。約10nmよりも小さくなると、粒子に元からある欠陥、つまり歪みが、粒子自体と同じくらい大きくなるため、構造が弱くなるのだ。

しかし、ナノ双晶構造では物が突き刺さりにくくなるうえ、窒化ホウ素の場合は、この特徴的な強度が平均で約4nmの大きさまで維持されるとティアン氏は説明している。さらに嬉しい副産物として、立方晶窒化ホウ素は高温でも安定しているという。

考えられる用途には、機械加工、研磨、穿孔・削岩、切削工具のほか、科学計測装置などが挙げられる。

材料の硬度を正確に測定するには、それよりも硬い物質をピラミッド形に成形し、このピラミッドを材料に突き刺すのにどれだけの圧力が必要になるかを確認する。この方法は、測定する材料よりも硬いことがわかっている物質がないかぎり成り立たない。ティアン氏の立方晶窒化ホウ素のビッカース硬度は、必ずしも最終的な測定値ではないと、結晶学研究者のナタリア・デュブロヴィンスカヤ（ダイヤモンドより硬い「ハイパーダイヤモンド 」を2007年に作成した研究者）は「Scientific American」誌でコメントしている。

※ハイパーダイヤモンド（Aggregated diamond nanorod：ADNR。別名「ダイヤモンド・ナノロッド凝集体」）は、フラーレンを原料として製造された物質。原子間力顕微鏡を用いて測定されたハイパーダイヤモンドの硬さは290（±30）から310（±40）GPaで、同測定法を用いたダイヤモンド（137-167GPa）や立方晶窒化ホウ素（60GPa）と比べて非常に硬い。

TEXT BY NATHAN HURST

TRANSLATION BY MAYUMI HIRAI/GALILEO