燕山大学メタステイブル材料調製技術科学重点実験室、科学技術研究所、韓雨孟、魏林涛
[ニュースセンター】最近、燕山大学準安定材料調製技術科学重点実験室の田永軍学術研究員のチームは、南京科学技術大学、寧波大学の研究者と共同で、超硬材料の分野で重要なブレークスルーを達成した。彼らは、276GPaの硬度を持つ超微細ナノ結晶双晶ダイヤモンドブロックの合成に成功し、材料硬度の世界新記録を樹立した。この関連研究は、「双晶の微細化とインターロック双晶によるダイヤモンドの硬度向上」と題され、 2025年1月3日に 『Nature Synthesis』オンライン版に掲載された。
ダイヤモンドは最も硬い天然素材で、機械加工、石油・ガス探査、地質調査などの産業で広く使用されている。単結晶ダイヤモンドの硬度は、結晶方位によって60～120GPaの間で変化する。研究者たちは、より硬度の高いダイヤモンドを合成する方法を長い間模索してきた。ダイヤモンドの硬度を向上させる古典的な方法である結晶粒の微細化は、ナノスケールではボトルネックとなっている。すなわち、粒界エネルギーが高すぎると結晶粒の成長が促進され、さらなる微細化が妨げられ、硬度向上が制限されてしまうのである。
この難題を克服するため、田永軍博士のチームは異なるアプローチをとり、双晶の微細化を開拓した。従来の粒界に比べて双晶は界面エネルギーが低いため、材料の微細化に新たな可能性をもたらす。研究チームはこれまでに、平均双晶の厚さがわずか5ナノメートルのダイヤモンドブロックを合成し、天然ダイヤモンドの2倍にあたる200GPaの硬度を達成することに成功している。
研究チームは最新の研究で、タマネギ状炭素前駆体のサイズを精密に制御して高圧相転移を行い、画期的な性能を持つ超微細ナノ結晶双晶ダイヤモンドブロックの合成に成功した。ブロックの平均粒径は18ナノメートル、平均双晶の厚さはわずか2.3ナノメートルで、硬度は276GPaに達した。電子顕微鏡観察の結果、サンプルには貫通型とインターロック型の双晶が確認され、インターロック型の双晶が支配的であった。比較実験により、この構造の重要な役割がさらに確認された。ダイヤモンド粉末から作られたナノ結晶ダイヤモンドは、粒径は同じように小さい（24ナノメートル）ものの、インターロック型双晶構造が密に存在しないため、硬度は125GPaしかなかった。
この画期的な発見は、硬度の新記録を打ち立てただけでなく、共有結合物質の硬度限界を超えるための新たな道を開いた。双晶構造を精緻化し制御することで、研究チームは材料特性を向上させる新たな方法を開拓し、将来の超硬材料の研究開発に重要な指針を与えた。
本研究は、国家自然科学基金（52288102、52325203、52090020）、国家重点研究開発プログラム（2018YFA0703400、2023YFA1406200）、河北省自然科学基金（E2022203109、E2023203256、E2023203126）、およびその他のプロジェクトの助成を受けた。燕山大学のYing Pan、Li Baozhong、Ma Mengdongが筆頭著者、Tong Ke、Zhao Zhisheng、Xu Boが対応著者、Pan Yilong（寧波大学）とTang Guodong（南京科学技術大学）が共著者である。
図のキャプション超微細ナノ結晶双晶ダイヤモンドの微細構造とビッカース硬度。a) 試料の全体的な微細構造を示すSTEM明視野像と、平均粒径18nmの統計的粒度分布を示す挿入図。b) 試料の特徴的な双晶構造を示す高分解能TEM画像。主画像は支配的なインターロック型双晶を示し、挿入図は局所領域で観察された貫通型双晶を示す。 c) 転位モデルと実験硬度データに基づく双晶の厚さの関数としての硬度。挿入図は超微細ナノ結晶双晶ダイヤモンド試料の光学画像を示す。
出典燕山大学