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髪の毛の太さの10万分の1…そのようなダイヤモンドを韓国が作った

ⓒ 中央日報/中央日報日本語版2019.12.10 13:28
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韓国の基礎科学研究院のロドニー・ルオフ団長率いる研究チームがこの世で最も薄い、髪の毛の10万分の1という厚さのダイヤモンド薄膜を作った。[写真 基礎科学研究院]
この世で最も薄いダイヤモンドが登場した。韓国の基礎科学研究院(IBS)多次元炭素材料研究団ロドニー・ ルオフ(Rodney Ruoff)団長〔蔚山(ウルサン)科学技術院(UNIST)自然科学部特訓教授〕率いる研究チームは、簡単な工程だけでグラフェンを髪の毛の太さの10万分の1に該当する0.5ナノメートルのダイヤモンド薄膜(ダイアメイン・diamane)に変身させることに成功したと10日、明らかにした。ダイヤモンドを2次元の平面形態として製作することができれば、ダイヤモンドの優れた物性を半導体素子をはじめ電気・機械・化学などの多分野に幅広く利用することができる。研究結果は国際学術誌「ネイチャーナノテクノロジー(Nature Nanotechnology)」10日(日本時間)電子版に掲載された。

グラフェンとダイヤモンドはともに炭素(C)原子だけで構成されているが、原子の結合形態が異なる。グラフェンは炭素原子が周辺の炭素原子3個と結合して蜂の巣のような六角形格子構図をもつ平面素材だ。反面、ダイヤモンドは中心の炭素原子1個が周辺4個の炭素原子と結合して正四面体が上下左右に反復して組み合わさった構造をもつ。

このような結合の違いのため、2つの物質の差が大きく出る。グラフェンは強度が高くて、熱と電気をよく伝えることはもちろん、2次元物質なので自由自在に曲がる。反面、ダイヤモンドは熱伝導性と剛性に優れているが電気は通さず、簡単に曲がらない。

これまで世界的にグラフェンの結合構造に変化を与えてグラフェンのように薄い超薄膜ダイヤモンド、すなわち「ダイアメイン」を合成しようとする研究が登場したがまだ商用化に至ることはできなかった。結合構造を変化させる過程で非常に高い圧力が必要で、製造費用がかさむだけでなく、圧力が低くなれば再びグラフェンに戻るなど安定性を維持できなかったためだ。

研究陣は2個のグラフェンが重なり合う構造の二層グラフェンで大気圧でも安定したダイアメインを世界で初めて合成した。研究陣が開発した工程は常温・低圧環境で化学的処理だけを経てダイアメインを合成できるため、高圧が必要だった既存の技術に比べて製造費用を大幅に軽減できるという長所もある。

共同責任著者であり第1著者であるパヴェル・バカレフ(Pavel Bakharev)研究委員は「多層グラフェンをダイアメインに変換させるための研究が数多く報告されていたが、製造過程が複雑だったり構造に欠陥があったりする場合が多かった」とし「われわれ研究陣はフッ素を注入する過程を通じてグラフェンの炭素結合をダイヤモンドのような結合形態に簡単に変え、欠陥も最小化した」と説明した。フッ素(F)化過程を通じて合成したという意味で、研究陣はこの超薄型ダイヤモンドを「F-diamane」と命名した。

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