ダイアモンド生成には電圧が必要

GFZ(ジオリサーチセンター)の研究チームは、ダイヤモンドやグラファイトのような特殊構造を持つ物質について研究しています。研究は、研究施設を建造し、ダイヤモンドの生成には電圧が必要であるという理論を実証しました。

Diamond, like graphite, is a special form of carbon. Its cubic crystal structure and its strong chemical bonds give it its unique hardness. For thousands of years, it has also been sought after as both a tool and as a thing of beauty. Only in the 1950s did it become possible to produce diamonds artificially for the first time.

参照元：https://www.gfz-potsdam.de/en/media-and-communication/news/details/article/diamonds-need-voltage/
-ジオリサーチセンター GFZ GeoForschungsZentrum. 21.01.2021 –

ダイヤモンドは、グラファイトと同様に、特殊な形態の炭素です。

その立方晶構造とその強い化学結合はそれに独特の硬度を与えます。何千年もの間、それは道具としても美の物としても求められてきました。

1950年代になって初めて、人工的にダイヤモンドを製造することが可能になりました。

ほとんどの天然ダイヤモンドは、少なくとも150キロメートルの深さで地球のマントルで形成され、摂氏1500度を超える温度と、数ギガパスカルの非常に高い圧力が必要です。

これは、十分に膨らんだ自転車タイヤの10,000倍以上です。

それらの形成に関与する正確なメカニズムにはさまざまな理論があります。

出発物質は、炭酸塩に富む溶融物、すなわち、酸素と炭素の両方に富むマグネシウム、カルシウム、またはシリコンの化合物です。

電気化学プロセスは地球のマントルで行われ、そこに存在する溶融物や液体は高い導電率を持つ可能性があります。

ロシア科学アカデミーノボシビルスクのVSソボレフ地質鉱物学研究所SBのユーリパリャノフ氏が率いる研究者ら、高度に局所化された電界が中心的な役割を果たすダイヤモンドの形成のモデルを作成しました。

この概念によれば、1ボルト未満（ほとんどの家庭用バッテリーが提供する電圧よりも低い電圧）を印加すると、化学変換プロセスをトリガーする電子が提供されます。

これらの利用可能な電子は、炭酸塩の特定の炭素-酸素化合物が一連の化学反応を通じてCO2になることを可能にし、最終的にはダイヤモンドの形の純粋な炭素をもたらします。

彼らの理論をテストするために、ロシアの研究チームは洗練された実験施設を開発しました。

ミリメートルサイズのプラチナカプセルを加熱システムで囲み、最大7.5ギガパスカルの巨大な圧力を生成するために必要な高圧装置に配置しました。

炭酸塩または炭酸塩-ケイ酸塩の粉末で満たされたカプセルに、注意深く構築された小さな電極が導かれました。

1300〜1600°Cの温度で多数の実験が行われ、そのうちのいくつかは40時間も続きました。

ノボシビルスクで実施された実験では、予測どおり、数時間の間に負極の近くに小さなダイヤモンドが成長することが示されましたが、これは小さな電圧が印加された場合にのみ発生しました。

すでに0.5ボルトで十分でした。直径が最大200マイクロメートル、つまり5分の1ミリメートルに達すると、新しく作成された結晶は通常の砂粒よりも小さくなりました。

さらに、予想通り、他の純炭素鉱物黒鉛は、より低い圧力で行われた実験で形成されることが見出されました。

新しいメカニズムのさらなる証拠は、研究者が電圧の極性を逆にしたときに得られました。

ダイヤモンドは、予想どおりにもう一方の電極上で成長しました。

カプセルの外側からダイヤモンドの近くで電圧が供給されなければ、グラファイトもダイヤモンドも形成されませんでした。

ポツダムのモジュラー地球科学インフラストラクチャ（MESI）の一部であるGFZのSIMS研究所の責任者であるMichaelWiedenbeck氏は話します。

「ノボシビルスクの実験施設は非常に印象的です。」

彼はロシアの研究者と10年以上協力してきました。

彼はSIMSラボエンジニアのFrédéricCouffignal氏とともに、ロシアの同僚が製造したダイヤモンドを分析しました。

ダイヤモンド形成に関するYuriPalyanov氏の理論が完全に正しいかどうかを判断するには、ダイヤモンドの同位体組成を非常に正確に特性化する必要がありました。

ポツダムの研究者は、この目的のために二次イオン質量分析（SIMS）を使用しました。

ポツダム機器は高度に専門化された質量分析計であり、世界中の地質学者に非常に小さなサンプルからの高精度データを提供します。

Wiedenbeck氏は話します。

「この技術を使用すると、サブミリ波サンプルの小さな領域の組成を非常に正確に決定できます。」

したがって、実験室で製造されたダイヤモンドから10億分の1グラム未満を、非常に正確にターゲットを絞ったイオンビームを使用して除去する必要がありました。

次に、帯電した原子を長さ6メートルの装置に注入し、個々の質量に基づいて数十億の粒子を分離しました。

この技術は、化学元素を分離することを可能にし、特に同位体として知られているそれらのより軽いまたはより重い変異体を区別することが可能です。

Wiedenbeck氏は話します。

「このようにして、炭素同位体13Cと12Cの比率が、ノボシビルスクの同僚によって開発されたモデルに従って正確に動作することを示しました。これにより、パズルの最後のピースに貢献し、いわばこれを確認しました。」

ただし、この新しい方法は、大型の人工ダイヤモンドの大量生産には適していないことに注意する必要があります。

Palyanov氏は話します。

「私たちの結果は、電場がダイヤモンドの結晶化に影響を与える重要な追加要因として考慮されるべきであることを明確に示しています。この観察は、地球規模の炭素循環内の炭素同位体比の変化を理解するために非常に重要であることがわかるかもしれません。」