デビアスが合成ダイヤモンドを販売へ: 合成ダイヤモンドの製造方法は次のとおりです

Aug 04, 2023

アベリストウィス大学材料物理学教授

アンドリュー・エヴァンスは、EPSRC、EU(WEFO)、およびElement Sixから資金提供を受けています。

アベリストウィス大学は、The Conversation UK のメンバーとして資金を提供しています。

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世界最大のダイヤモンド会社デビアスは最近、同社の130年の歴史で初めて合成ダイヤモンド宝石の販売を開始すると発表した。 人造ダイヤモンドは 1950 年代から製造されてきましたが、デビアスは合成市場への参入に長い間抵抗してきました。 同社は現在、この技術が最高の宝石の品質を持つ合成ダイヤモンドを大量に生産するのに十分効率的であると信じています。 このプロセスは具体的にどのように機能するのでしょうか?

ダイヤモンドは、他に類を見ない輝きを放つ透明な宝石として高く評価されています。 また、すべての材料の中で最も硬く、触れると冷たさを感じます。 これらの注目すべき特性はすべて、ダイヤモンド結晶内の原子の完全に規則的な配置に依存しており、これらの原子はすべてまったく同じであり、炭素です。

この配置の小さな欠陥は、原子が間違った位置にあるか、欠けているか、または別の元素であるかにかかわらず、ダイヤモンドの色に大きな変化を引き起こす可能性があります。 たとえば、10,000 個に 1 個の炭素原子を窒素原子に置き換えると、透明な宝石は茶色に変わります。

この完璧な結晶に炭素原子を配置することは簡単ではなく、地球の表面では自然に起こり得ません。なぜなら、炭素は鉛筆の芯に使用される柔らかい黒色の素材であるグラファイトの結晶を形成することを好むからです。 この環境では、炭素原子は互いに結合するよりも、酸素や水素などの他の原子に結合しやすい傾向があります。 これは、純粋な黒鉛結晶を作ることさえ難しいことを意味します。

天然ダイヤモンドは地球の奥深くで作られ、ごくまれに、適切な成分が適切な温度と圧力で集められ、数百万年かけて地表に運ばれます。 最初の人工ダイヤモンドは、巨大な機械でこれらの条件を再現することによって実験室で作られました。これは今日でも工業用切削工具用の小さなダイヤモンドが作られる方法です。

メタンを使って炭素原子の層を一つずつ成長させることによって、高品質の人工ダイヤモンド結晶を作ることも可能です。 これは、高温プラズマを使用して超清浄な容器内でメタン分子から水素を剥ぎ取ることによって行われます。 その後、すべての炭素は、グラファイト、グラフェン、バックミンスター フラーレンなどの他の多くの種類の炭素の 1 つではなく、ダイヤモンド結晶に成長させられます (もちろん、これらの非常に異なる材料の組み合わせを成長させたい場合は別です)。

課題は、化学蒸着 (CVD) として知られるこのプロセスをコスト効率よく行うことです。 デビアスは現在、この段階に到達したと考えており、英国アスコットの自社施設と米国の新しいダイヤモンド工場での生産を拡大する計画を立てている。

これらの結晶の純度を制御することにより、ダイヤモンドを使用する新たな機会も開かれます。 たとえば、各原子不純物を小さなトーチとして使用し、結晶内の隣接する原子からの干渉を受けずに単一の光の粒子を生成することができます。 これは、特別な「量子」コンピューター用の単一ビットの情報を保存するために使用できます。 ホウ素の不純物は、貴重なディープブルーまたはブラックダイヤモンドを生成するだけでなく、電気を通すダイヤモンドの製造にも使用され、宇宙などの極限状態でシリコンや金属の代替材料となります。

それぞれの天然ダイヤモンドにはその固有の歴史を知る手がかりがあり、最新の機器で検査することでその起源を明らかにすることができます。 人工ダイヤモンドにもこの情報が含まれており、紫外線での輝き方の違いが天然宝石と合成宝石を区別するために定期的に使用されています。 そのため、たとえダイヤモンドの完璧性が人間の目で疑うことはできなかったとしても、ダイヤモンドの小さな欠陥は常に存在し、その隠された歴史と個性を明らかにします。