- 研究者はレーザーを用いてプラスチックをナノダイヤモンドに変換し、結晶を成功裏に捕獲した。
- ナノダイヤモンドは極端な条件下で生存し、通常の環境に安全に戻ることができる。
- より小さなナノダイヤモンドは医療や材料分野での応用を拡大する可能性がある。
- 研究者はBC8炭素を生成するために、より高い圧力下での実験を計画している。
ドイツの研究者が強力なレーザーを利用して、通常のプラスチックを微小なダイヤモンドに変換し、完全な結晶を成功裏に捕獲した。ドレスデン・ロスンドルフ・ホルメルツセンター（HZDR）とロストック大学のチームは、これらのナノダイヤモンドが極端な圧力と温度条件下で生存でき、通常の環境に安全に戻ることができることを示した。回収された粒子の平均サイズは3ナノメートル、すなわち三十億分の一メートルであり、約3,000個の炭素原子を含んでいる。このレーザー方法は、高純度で小さなサイズ、かつ粒子サイズが密接に一致した製品を生成することができ、これは従来の生産方法（爆発を含む）では達成できないものである。
極端な環境条件のシミュレーション
この研究の開始は、海王星と天王星内部の条件をシミュレートすることであり、これらの場所の温度は数千度に達し、圧力は地球の大気圧の数百万倍に及ぶ。レーザーがプラスチックを照射することで、炭素がダイヤモンドを形成する条件が作り出され、チームは最初はこれらの結晶を短時間しか検出できなかった。HZDRの高エネルギー密度物理学新研究所のDominik Krausは、チームはナノダイヤモンドが形成されることを予期していたが、その形成速度には驚かされたと述べている。
このチームは、プラハ南部にある極端光基盤施設（ELI）でこれらのダイヤモンドを回収した。これは非常に高いパルスエネルギーと高い繰り返し率を組み合わせたレーザー施設である。L4n-P3サイトでは、レーザーが毎分3回発射され、0.004インチ（100マイクロメートル）厚のPETプラスチックフィルムを対象としている。各パルスはフィルムを通じて衝撃波を送信し、プラスチックを圧縮してナノダイヤモンドを形成し、それを収集シリンダーに押し出す。回収実験では、プラスチックが約100ギガパスカルの圧力で衝撃圧縮され、約1450万ポンド毎平方インチに相当する。
圧縮波がサンプルから真空に入ると、ダイヤモンドの速度は時速22,000マイル（秒速10キロメートル）を超え、隕石の衝突に相当する。これらを捕獲するためには非常に柔らかい媒質が必要であり、チームは真空中で効果的な水溶性イオンゲルを使用した。各レーザー発射で約10兆個のダイヤモンドが生成されるが、数百マイクログラムのサンプルを収集するには約100回の発射が必要である。これはロストック大学のELMI-MV電子顕微鏡を用いて粒子の特性分析を行うのに十分であり、この顕微鏡は単一原子を解析することができる。
HZDRの主要著者Ben Heuserは、純化されたダイヤモンドを直接見る瞬間は「私たちが何年も努力してきた特別な瞬間」であると述べた。
ナノダイヤモンドの応用の展望
ナノダイヤモンドは硬く、安定しており、耐熱性があるため、すでに研磨剤やポリッシュ剤に使用されている。より小さく、よりクリーンでサイズが均一な粒子は、医療、材料、エネルギー分野での応用を拡大する可能性がある。これには量子センサーやスキャン用コントラスト剤が含まれる。より小さなダイヤモンドは、同じ材料量でより大きな総表面積を提供し、これが太陽光を利用して二酸化炭素を分解するなどの過程における触媒効率を向上させる可能性がある。プラスチックから始めることで、ダイヤモンドに他の元素をドーピングすることが容易になり、MRI用コントラスト剤の改善などの目的に特化したものが可能になる。
次の目標はBC8炭素である。核融合研究からのより高エネルギー効率のレーザーは、より頻繁に強いパルスを発射でき、このプロセスのスケーラビリティを向上させる。研究者の目標はミリグラムの範囲に達することであり、これは従来の生産と同等である。チームはまた、BC8をレーザー圧縮で製造することを希望しており、これは現在まで理論的にのみ予測されている炭素の形態である。BC8の密度はダイヤモンドよりも高く、同様に硬く、脆くないと予測されている。BC8を形成するために必要な条件は地球上には存在しないため、研究者は11月により高い圧力下での初の実験を計画している。
項目 規格 ナノダイヤモンド平均サイズ 3ナノメートル 炭素原子数 約3,000個 プラスチックフィルムの厚さ 0.004インチ（100マイクロメートル） 圧縮圧力 約100ギガパスカル ダイヤモンドの速度 超過22,000マイル毎時（10キロメートル毎秒）
レーザー技術によるプラスチックの変換の可能性
この研究は、材料科学におけるレーザー技術の可能性を示しており、特に廃棄プラスチックを価値あるナノダイヤモンドに変換することにおいて重要である。ナノダイヤモンドは優れた物理特性を持ち、医療やエネルギーなどの多くの分野で応用される可能性がある。技術の進歩に伴い、将来的にはより効率的な生産方法が登場し、環境保護や資源回収に積極的な影響を与えることが期待される。研究チームの次の目標は、より高密度の炭素形態を探求することであり、これがナノ材料の応用と発展をさらに推進することになるだろう。