天然に存在する純粋なナノ

May 21, 2024

Scientific Reports volume 5、記事番号: 14702 (2015) この記事を引用

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19 オルトメトリック

メトリクスの詳細

粒径が 100 nm 未満の多結晶ダイヤモンドの固結体であるナノ多結晶ダイヤモンド (NPD) は、高圧高温でグラファイトを直接変換することによって実験的に製造されています。 NPD は、その独特のナノテクスチャーにより、単結晶ダイヤモンドよりも優れた硬度、靱性、耐摩耗性を備えており、産業および科学用途での使用に成功しています。 しかし、このような焼結ナノダイヤモンドは天然のマントルダイヤモンドでは見つかっていません。 今回我々は、約3500万年前にロシアで起きた大規模な隕石衝突によって生成された天然の純粋なNPDを特定した。 インパクトダイヤモンドは、合成 NPD に似ていますが、明確な [111] 優先配向を持つ、よく焼結された等粒状ナノ結晶 (5 ～ 50 nm) で構成されています。 これらは、単結晶グラファイトからのマルテンサイト変態を通じて形成されました。 ソースグラファイトの応力誘発による局所的な断片化とその後の限られた時間スケールでのダイヤモンドへの急速な変態により、複数のダイヤモンド核生成と全体的な粒子成長の抑制が生じ、天然NPDの独特なナノ結晶組織が生成されます。 ポピガイクレーターには大量の天然NPDが存在すると予想されており、これは新規超硬材料としての応用にとって潜在的に重要である。

グラファイトを直接変換して合成されるナノ多結晶ダイヤモンド（NPD）1,2 は、精密機械加工や硬質材料の製造における技術革新に貢献します3。 NPD の超高硬度と機械的強度は、よく焼結されたナノ構造自体から生まれます。 ホールペッチ関係式 5、6 から予測されるように、粒界での微小劈開と転位の移動が防止され、バルク強度 4 が向上します。 したがって、高い PT でのナノ多結晶組織の生成は、硬質材料の開発における最先端のブレークスルーであり、SiO2 (スティショバイト)7 や Al2O3 (コランダム)8 にも適用されています。 今回、巨大衝突クレーターから採取されたダイヤモンドから、合成ダイヤモンドと同様の微細組織と形成メカニズムを持つNPDの天然相当物を特定した。

大きな隕石の衝突により、地球の表面での衝撃事象の結果としてダイヤモンドが生成されることがあります9、10、11、12、13、14、15、16。 ロシアのシベリア中北部に位置するポピガイ クレーターは、そのような衝突ダイヤモンドの主要なホストの 1 つです 14、15、16。 衝突構造の大規模な地質学的探査と衝突ダイヤモンドの発見はすでに 1970 年代に行われていますが、ダイヤモンドの埋蔵量が膨大であるため、最近再び注目を集めています 14、15、16。 本物の衝突ダイヤモンドは、タガマイトやスエビ石と呼ばれる衝突溶融岩のインクルージョンとして発見される、衝撃を受けて断片化したグラファイトを含むガーネット黒雲母片麻岩（始生代）で発生します14、15、16。 これらは、通常 0.5 ～ 2 mm サイズ (最大 10 mm) で黄色、灰色、または黒色の不規則粒子から平板状粒子として発生し、場合によっては顕著な複屈折を示すことがあります 14、15、16。 最も衝撃を受けたダイヤモンドの表面には、ホスト衝撃溶融物中での激しい加熱と酸化の経験を示す溶解と腐食のパターンが見られます14。 以前の研究 14、15、16、17、18 では、それらはミクロンからサブミクロンのダイヤモンド結晶の多結晶集合体であると記載されています。 アポグラフィー状ダイヤモンド粒子 (単結晶グラファイトの後の擬似形) の発生と、それらの粒子のほとんどにおけるダイヤモンドの六方晶系多形であるロンズデライト (全体の最大 25% 17) の存在は、結晶性の高いグラファイトからマルテンサイトが形成されたことを示唆しています。 しかし、これらの以前の研究にもかかわらず、ポピガイ ダイヤモンドの微細組織および結晶学的特徴の詳細は明確には特定されていません（つまり、全体的な組織特性は不明のままです）。 ほとんどの場合、透過型電子顕微鏡 (TEM) による以前の観察は、粉砕またはイオン薄化されたサンプルの局所スケールでのみ行われていました。 本研究は、集束イオンビーム (FIB) を使用して作製された多数の配向断面の注意深く TEM 観察を通じて、ポピガイ インパクト ダイヤモンドのナノ結晶の性質を明らかにし、天然 NPD の独特の変態と組織化プロセスについて議論しています。