大阪大学大学院工学研究科大学院生の片桐健登さん(博士後期課程2年、文科省委託事業特任研究員)と尾崎典雅准教授、および愛媛大学地球深部ダイナミクス研究センターの入舩徹男教授らの研究グループは、ナノ多結晶状態のダイヤモンドが高速変形する際の強度を明らかにしました。

小さな結晶を石垣のように隙間なく詰め込んだ多結晶材料は、同じサイズの単結晶材料よりも強くなると言われています。本研究チームは、その効果が最大になると考えられる数10ナノメートルサイズの微結晶を焼結させた、"ナノ多結晶"状態のダイヤモンドに超高圧力を加え、その強度を調べました。実験は国内最大パルス出力の激光XII号レーザー を用いて行われ、地球中心圧力の4倍を超える1,600万気圧まで、体積が元の半分以下にまで変形していく様子を観察しました。

今回得られた実験データから、ナノ多結晶ダイヤモンド(NPD)が通常の単結晶ダイヤモンドに比べ2倍以上も高い強度を有することが明らかになりました。また、これまで調べられてきた全ての材料の中で最高の強度を示すことがわかりました。

本研究成果は2020年10月28日(水)13:00(日本時間)に、米国物理学会刊行の学術誌 Physical Review Letters での掲載に先立ちオンライン公開されました。

図1　ナノ多結晶と単結晶の違い(上)と、実験で得られたナノ多結晶ダイヤモンドの圧力-体積の関係(下)。ナノ多結晶ダイヤモンドは単結晶ダイヤモンドに比べ変形しにくいことがわかる。

材料を多結晶状態にすることによって、その強度が向上すること自体はよく知られています。しかしながら、結晶粒 をナノメートルレベルまで微細化したナノ多結晶体が、高速変形下でどのように振る舞うのかは明らかになっていませんでした。10ナノメートル サイズのダイヤモンド微結晶を高密度に合成したナノ多結晶ダイヤモンド(NPD)は、日本の独自技術の成果ですが、ナノ結晶間の相互作用が強度に顕著に影響することが明らかになったことから、超高強度材料としてさらに期待が高まるものと考えられます。

本研究グループは、単結晶と同等の密度に合成したNPDを、高強度パルスレーザーを用いて数ナノ秒 という非常に短い時間に高速変形させました。光のドップラー効果 を利用した独自の高精度観測システムによって、その圧縮変形特性をリアルタイムで計測することに成功しました。その結果、NPDが高速変形下でおよそ208万気圧もの弾性強度 を有することがわかりました。これは、単結晶ダイヤモンドの2倍以上の値です。NPDと単結晶ダイヤモンドにおける大きな強度の違いは、高速変形下におけるナノ結晶粒間の相互作用がより顕著に現れることを示しています。

本研究成果は、極限環境で用いる構造材料や高性能セラミックスなど、高い強度が要求される材料の研究開発に影響を与えると考えられます。またレーザー核融合研究では、多結晶ダイヤモンドでできた球状のカプセルに燃料を入れて実験が行われていることから、初めて得られたナノ多結晶ダイヤモンドの圧縮変形特性は必要不可欠の知見といえます。

本研究成果は2020年10月28日(水)13:00(日本時間)に、米国物理学会刊行の学術誌 Physical Review Letters での掲載に先立ちオンライン公開されました。

題名:「Shock response of full density nanopolycrystalline diamond」 邦訳:「高密度ナノ多結晶ダイヤモンドの衝撃圧縮特性」
著者:K. Katagiri, N. Ozaki, Y. Umeda, T. Irifune, N. Kamimura, K. Miyanishi, T. Sano, T. Sekine, and R. Kodama
本研究は、大阪大学レーザー科学研究所、愛媛大学地球深部ダイナミクス研究センターそれぞれの共同利用・共同研究のもとに実施されました。また、文部科学省"光・量子飛躍フラッグシッププログラム(Q-LEAP)"「光量子科学によるものづくりCPS化拠点JPMXS0118067246」、および日本学術振興会科学研究費補助金の助成(16H02246、19K21866)、株式会社コンポン研究所の支援を受けて行われました。