新しい超硬質、耐熱性「ガラス」

ミニウィンドウは摂氏1400度に耐え、ダイヤモンドとほぼ同じくらい硬い

窒化ケイ素ディスクのサイズは、わずか数ミリメートルの生産によるものです。 ©西山紀正、DESY /東工大
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初めて透明に:研究者は、透明でもある超硬で耐熱性の材料を作成しました。 これは、高温と超高圧によって達成されました。 世界で3番目に硬い素材の小さなスライスは、摂氏1, 000度以上でも安定しているため、ダイヤモンドよりも耐熱性が高くなっています。

窒化ケイ素(Si 3 N 4 )は非常に硬い。 さらに硬い材料は、ダイヤモンドと研磨剤としてよく使用される窒化ホウ素の2つだけです。 窒化ケイ素は硬度が高いため、自動車および航空宇宙産業のボールベアリング、切削工具、エンジン部品に使用されています。 所望の成分は、粉末状の出発材料を圧力と熱の下で適切な形状にプレスすることにより製造されます。 これにより、「六角形」窒化ケイ素が作成されます。

しかし、通常の窒化ケイ素は不透明です-これまでのところ、超硬窓や光学レンズには適していません。 しかし、圧力と温度を上げることにより、ドイツの電子シンクロトロンDESYの西山典正周辺の科学者たちは、透明な「立方体」窒化ケイ素の製造に初めて成功しました。

六方晶および立方晶窒化ケイ素の結晶構造。 ©Materialscientist / CC-by-sa 3.0、ウィキペディア

圧力と熱

この目的のために、西山と彼の同僚は六方晶窒化ケイ素を摂氏1, 800度の温度と大気圧の156, 000倍にさらします。 これらの条件下では、六方晶窒化ケイ素はその立方体形状に変化し、透明になります。 「この材料の最初の透明なサンプルです」と西山は報告します。

「この変換は、通常の条件下では六角形の構造をもち、高圧下ではダイヤモンドと呼ばれる立方体の形に変換する炭素に似ています」と研究者は続けます。 「しかし、窒化ケイ素の透明度は粒界に強く依存します。」原料の結晶間の多数の小さなギャップと細孔が、出発原料の不透明性の主な理由です。 ディスプレイ

ここでは窒化ケイ素の3つの粒子間の粒界は、幅が約1ナノメートルしかない。 図では、単一の原子でさえ認識できます。 西山紀正、DESY /東工大

透明性の秘密

実際、科学者は、立方晶窒化ケイ素が非常に薄い粒界を持っていることを示すことができました。これは半透明性を説明します。 材料内の個々の粒子間の遷移は1ナノメートルよりも小さい、つまり幅がわずか数原子です。 「さらに、高圧相では、酸素不純物が材料全体に広がり、通常の状態のように粒界に蓄積しません。 それも透明性にとって重要です」と西山は言う。

高圧窒化ケイ素を透明なダイヤモンドと区別するのは、極端な熱に対する耐性です。 「ダイヤモンドは、空気中では摂氏約750度までしか安定していません。 対照的に、立方晶窒化ケイ素は摂氏1, 400度まで安定です」と研究者は報告しています。

制限のあるアプリケーション

窒化ケイ素の新しいバリアントは、将来、透明であると同時に超硬質で耐熱性のある材料が必要なあらゆる場所で使用できます。 しかし、これまで不利な点がありました。透明な窒化ケイ素の製造は非常に複雑です。

「原材料は安価ですが、透明なワークの生産には、人工ダイヤモンドの約2倍の圧力が必要です」と西山氏は言います。

また、作成されるディスクのサイズも制限されます。 約5ミリメートルの直径は、まだ比較的簡単に実装できます。 「しかし、1インチを超えるものに到達するのは難しいだろう」と西山はコメントする。 宇宙旅行などの特別な用途では、超硬質窓ガラスが非常に興味深い可能性があります。 (Scientific Reports、2017; doi:10.1038 / srep44755)

(Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY、20.03.2017-CLU)