【速報】 日本、ガチで超科学技術大国だった！独自技術でダイヤモンドを遥かに超える、世界最強の超硬度物質を生成

日本の独自技術で作った世界最強の超硬度物質に、1平方cmあたり1万6000トン(1600万気圧)、世界最大の圧力で潰そうとしてみる実験が行われた

大阪大学(阪大)は10月28日、「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たと発表した。

物質は、材料を多結晶状態にすると強度が向上することが知られている。しかし、結晶粒をナノメートル(nm)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、これまで明らかになっていなかった。

実験は、阪大のレーザー科学研究所が所有する国内最大級のパルス出力を備え、世界でも有数の性能を持つ「激光XII号レーザー」を用いて行われた。NPDにかけられた超高圧力は、地球中心部の圧力の4倍以上という、1600万気圧。
しかも、激光XII号レーザーは、数ジュールを超えるエネルギーを1ナノ秒というような極めて短時間に集中して放つ高強度パルスレーザーである。

計測には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が用いられ、その超高速の圧縮変形特性がリアルタイムで計測された。
その結果、NPDは超高速変形下において、およそ208万気圧もの弾性強度を有することが確認されたのである。
弾性強度とは、固体に外力が加えられた際に弾性を保てる限界強度のことだ。弾性強度以上の力が加えられると、元の形状に戻らなくなってしまう。
つまり、NPDは地球中心部の圧力の半分近い力までなら、力を加えられても元の形に戻れるということである。

この208万気圧もの弾性強度は別の比較をすると、通常の(単結晶の)ダイヤモンドの2倍以上の値だ。これまで人類が調べられてきたすべての物質中で最高の強度であることが証明された。

NPDは日本の独自技術により誕生したものであり、今回の研究でナノ結晶間の相互作用が、強度に対して顕著に影響することが判明した。
そのため、今後、超高強度材料としてさらに期待が高まる可能性があるという。また、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も影響を与えることが考えられるとしている。

さらに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(水素)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している。

2020/11/2
https://news.mynavi.jp/article/20201102-1448691/

Shock Response of Full Density Nanopolycrystalline Diamond
全密度ナノ多結晶ダイヤモンドの衝撃応答

完全密度のナノ多結晶ダイヤモンド（NPD）のHugoniotを1600GPaまで調査しました。NPDのHugoniot弾性限界は208（±±14）GPa、
単結晶ダイヤモンドの2倍以上の高さ。NPDのHugoniotは、500 GPaまでの単結晶ダイヤモンドよりも剛性がありますが、
弾性前駆体が次の塑性波によってオーバードライブされる高圧では、有意差は観察されません。
これらの発見は、静的圧縮実験で認識された粒界強化効果が、高ひずみ速度の動的圧縮に対しても有効であることを確認しています。

Hugoniot of full-dense nanopolycrystalline diamond (NPD) was investigated up to 1600 GPa.
The Hugoniot elastic limit of NPD is 208 (±14) GPa, which is more than twice as high as that of single-crystal diamond.
The Hugoniot of NPD is stiffer than that of single-crystal diamond up to 500 GPa,
while no significant difference is observed at higher pressures where the elastic precursor is overdriven by a following plastic wave.
These findings confirm that the grain boundary strengthening effect recognized in static compression experiments is also effective against high strain-rate dynamic compressions.

ソース英語
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.185701