からむこらむ
〜その１７３：無敵の作り方〜

まず最初に......

　こんにちは。ついに９月となりましたが、皆様如何お過ごしでしょうか？
　まぁ、残暑がまた厳しかったり緩かったりですけど。とりあえず、風邪を引かぬように気をつけたいものですが。

　さて、今回の話はとりあえず、というかやっとこさというか。管理人の社会復帰活動で、関連する試験が一通り終わりましたので、通常運転に戻ろうかと思うのですが。その復帰の１回目となりますね。
　ま、話としては前回、前々回に渡って扱ったダイヤモンドの話の、締めくくりとする話をしようかと思います。これで一通り終わり、ということにしたいですね。その前に、「書き方」を思い出すのが大変ですが（爆）

　それでは「無敵の作り方」の始まり始まり...........


　え〜、前回、前々回とダイヤモンドの由来や使用方法について触れましたが。
　まず.......こっちの話からしますか。

　ダイヤモンドというものは、宝石として見ると非常に価値があるものである、というのは知られている通りですし、今までの話で扱いました。
　ところで、こう「価値が高い」ものになりますと、人類の歴史を見る限り「お約束」の展開、というものが待っています。それは何かというと........いわゆる「詐欺」というものでして。つまり、「ダイヤですよ」と言いながら程度の低いものを売ったり、あるいは全く別の、ダイヤに外見が似ているものを売ったり、ということが良く見られます。
　そして、それは現在に至っても見ることができますけどね。

　「ダイヤに似ているもの」というのを調べてみると、これがまたいろいろとあるのですが。
　こういったダイヤは、だいたい一括して「模造（イミテーション）ダイヤ」と呼ばれています。これは本当に「ピンキリ」でして、あるものは実は工業的に重要、あるものはまさに「ガラス玉」と価値がさまざまです。ま、もちろんこういう模造ダイヤを使って詐欺をする、という場合はダイヤよりも安い物を使うに決まっているのですがね。
　では、ダイヤに似た物質にはどういうものがあるのか？
　まず、古典的なものとしては「ガラス」があります。これはまさに文字通りでして、説明は不要でしょう。その８７で触れた通り、酸化ケイ素(SiO2)で構成されています。もっとも、アメリカのニューヨーク州ハーキマーでとれた酸化ケイ素の鉱物が「ハーキマーダイヤモンド」と呼ばれていまして、これが独特の鋭い輝きを持つために価値があるとされているので、侮りがたいものはありますが。
　現代ではいろいろとありますが、合成宝石の研究などから多数作られたものもありまして、だいぶ種類があります。例えば名前を挙げるとチタニヤ（酸化チタン）、実際に宝石に使われることのあるキュービックジルコニア、酸化イットリウムにチタン酸ストロンチウムなどと言ったものがよく知られています。
　一応、組成なども含めて以下に代表的なものを示しておきましょう。

ダイヤと模造ダイヤ
組成晶系硬度比重屈折率用途
ダイヤモンドC立方103.522.42宝飾　工業
キュービックジルコニアZrO2(+CaO) or (+Y2O3)立方8.55.65〜5.952.17宝飾　セラミック工業など
チタニヤTiO2正方6.54.262.90宝飾　セラミック工業
電子部品　触媒など多数
酸化イットリウムY2O3立方54.841.91宝飾　セラミック工業など
チタン酸ストロンチウムSrTiO3立方65.132.41宝飾　セラミック工業など
YAGY3Al5O12立方8.54.561.83レーザーなど
GGGGd3Ga5O12立方77.071.95半導体
元素注　C：炭素　Zr：ジルコン　O：酸素　Ca：カルシウム　Y：イットリウム　Ti：チタン
Si：ケイ素　Sr：ストロンチウム　Al：アルミニウム　Gd：ガドリニウム　Ga：ガリウム
　もちろん、他にもいろいろとありますが。注目して欲しいのは、これらはセラミック工業など、さまざまな工業用に使われることが多い、ということです。例えば酸化チタン（チタニヤ）などは、現在では極めて多方面に渡って使われています（最近話題の光触媒でも注目されています）。これは、近代の工業の発展の中で、例えばある目的のために作ったものの、模造ダイヤとしてもつかえるということが分かって使った、ということがあります。
　こういった模造ダイヤは、いずれも光の反射など屈折率など、光に関する特性がダイヤに似ている、という特徴があります。もっともよく似ているのはキュービックジルコニアでして、模造ダイヤの代表格と言えるでしょうか？　もっともこれも欠点があり、丸みを帯びやすく長期間使えない、とかそういう問題もあります。

　この手の模造ダイヤですが、「分かっていて使う」なら問題はありませんが、これを使った詐欺も多く、見分ける必要が生じることもあります。
　見分け方はさまざまですが、例えばよく知られているのはダイヤでこすってみる、というもの。硬度の問題から偽物はすべて傷がつきます。もちろん、傷をつけてはならないということもありますので、その場合は屈折率や比重などといった特徴、あるいは熱伝導率と言った物性から見分けていくこととなります。
　特に宝飾用ではこういった見分けは重要でして、例えばキュービックジルコニアがまだ出回った最初の頃、これをダイヤとして大金で売りさばいたケースがあります。実際、とあるお金持ちのご夫人が宝石店にダイヤをつけて交渉中、その合間に宝石店の人が「奥様のダイヤ、ご立派ですねぇ」と見せてもらうと、当時まだあまり知られていないキュービックジルコニアであることを見抜き、散々なやんだ揚げ句ご夫人に教えると、大きなショック状態になってぼう然自失........　ちなみに、キュービックジルコニアは1ct.あたり100円程度だそうですが。
　まぁ、「確実なところ」で買え、ということのようですが。

　ま、他にも模造ダイヤに関してはかなり書けるものがあるのですが、スペースがかなりありませんので簡単にまとめる程度で済まさせてもらいまして。
　次に人工合成の話をしてみようかと思います。


　ダイヤの人工合成への道は........ま、おそらくは錬金術絡みでいろいろとあったかもしれませんが、科学的に正しい試みとしては、ダイヤモンドが炭素からできていることが分かり、それが高圧を必要とすることが分かった18世紀から行われていたと言われています。

　最初の「成功者」は19世紀後半イギリスのハネイ(J.B.Hannay)によるものとなっています。
　彼の合成は、当時有力であった「ダイヤモンド有機物起源説」に基づいて行われました。つまり、ダイヤモンドは「有機物より生まれる」という考えでして、彼はこれに基づいて10%の滑油と90%の炭化水素化合物であるパラフィン、そしてアルカリ金属であるリチウム少量を頑丈な鉄のチューブ（銃身の製法による）に密封して反射炉で数時間、高温高圧の条件下におきました。この理論は「パラフィンがリチウムによって分解し、その炭素が結晶化→ダイヤになる」というものでして、彼はこれを80回行い、内３回ほど合成に成功したと1880年に発表します。
　さて、こうしてできた「史上初の人工ダイヤ」。さまざまな分析を経て確かにダイヤモンドである、と同定されて大英博物館に保管されることになります。
　........が、時代が飛んで1943年。「これ、本当に合成したの？」という疑問が抱かれたために再調査されまして、イギリスの結晶科学者によって徹底的に分析された結果、ダイヤはII型であると判明します。前回触れた通りII型は天然では数が少ない、ということで合成であると思われたのですが、後に再調査したところ、合成ダイヤもII型が作れる......さらにハネイの実験を検証した結果、どうやっても彼の方法では合成に必要な圧力などが確保できないこと。さらに何人も追試したのに、結局一回も合成できなかったことからどうもハネイの「造った」ダイヤは天然物らしい、という結論に達します。
　つまり、彼は人工合成に成功していない、ということになります。
＃というよりは詐欺では？

　次の挑戦者の話をしましょう。
　時代は戻りまして、ハネイの発表の後の1890年のこと。フランスの大化学者で、後の1906年にノーベル化学賞を受賞したモアッサンがダイヤモンドの合成に着手。1893年に合成の成功を発表します。このモアッサンは本当に著名な化学者でして、フッ素の単離に成功（極めて危険な実験で、何人もの犠牲者を出した研究。次いで言うなれば、フッ素の単離法は彼の手法が今でも使われています）し、さらに超高温電気炉の開発も行った人物です。ま、その功績でノーベル賞を授与されるのですが..........まぁ、当代随一の大化学者のこと。「これは本物だろう」ということで大騒ぎとなります。
　モアッサンの方法は、隕石中に発見されたダイヤからヒントを得たもので、炭素を金属に溶かし込んで急冷し、その時の金属の収縮で生じる圧力でダイヤモンドを結晶化させよう、というものでした。実際には彼は石墨の容器に鉄と炭素を入れ、これを電気炉で溶かし、溶けた鉛（水銀という話も。最初は水だった）で急冷。次にこの金属塊を酸で溶かしまして、その残渣からダイヤモンドが見つかった、と発表します。
　........では、これは成功したのか？
　発表されたのは約0.5mm程のダイヤだったと言われています。そして、大化学者のモアッサンの発表.......なら成功だろう、ということで何人も追試をして「成功した」と発表します。
　しかし、何度も追試が繰り返していくうちに報告内容は変わり始めまして、やがて「どうもだめらしい」という結論に達します。また、物理学者のブリッジマンがたくさんの高圧炉を開発して実験したところ、どうもモアッサンの方法ではダイヤの生成に必要な圧力は無理らしい、と発表します。これにより、モアッサンの方法では最終的に「無理」という結論が出ました。
　では、彼が作ったダイヤは何だったのか？
　実はこれ、結構有名な話なのですが、モアッサンの死（1907年）の後に、モアッサンの助手が「先生を喜ばすため」とも、あるいは「人使いが荒くてもうつらくてやってられない」と言う話もあるようですが、とにかくも助手が生成物の中に天然のダイヤを仕込んだ、ということを告白します。つまり「モアッサンは失敗した」ということを告白します。
　ま、実際に実験条件で生成される結晶はおおむね同じ形になるものですが、報告では多種多様なダイヤができている、というのが書かれていまして.......ま、ここからは天然物の混入というものが裏付けられたのですが........
　モアッサンが生きていたらどういうことになったか........
＃尚、彼の実験でできた残渣はアルミナか炭化ケイ素(SiC)らしいと言われています。

　さて、では本当の人工合成はどうなっているのか？
　人工合成の最初の「発表」は1950年代、アメリカのジェネラルエレクトリック(GE)社によります。ダイヤの人工合成に挑むため、GE社の技術者達は徹底的にダイヤモンドの生成条件を調べた後、温度と圧力とダイヤモンドの生成条件を導き出します。が、2000度近い温度と数万気圧以上の圧力が最低でも必要と結論。当時、これに耐えうる機械は存在していませんでした。
　ということで彼らはその装置の開発に着手。2000度以上、10万気圧に耐えられる装置（ベルト型という装置）の開発に成功します（これはブリッジマンの研究成果が大きく影響しています）。ま、詳しいメカニズムは省きますが、ベルト装置の中央に電熱装置のついたカプセルがあり、これに原料を入れて、ベルト装置に高い圧力をかけて高温高圧を実現する、という装置です。
　一方、彼らは原料の調査も行います。種々の炭素化合物を検討した結果、モアッサンの様な炭素を金属に溶かし込む方法がよいと判明し、さらにそれにふさわしい金属を調べた結果、ニッケルやコバルト、鉄などのいくつかの金属がよいと判明します。そしてこれらを用いて、1200〜2400度、55,000〜10万気圧の範囲でダイヤモンドを作り出しました。
　このダイヤモンドの成長速度は、１分間に0.1mm。ま、結構早い成長とも言えますが........
　そして1955年の３月にGE社は世界にこの結果を発表。ここで彼らはこのダイヤを「合成」という言葉を用いずに「マンメイド(man-made)ダイヤ」として発表します。そして、米政府は「この技術は他国に教えることは罷りならぬ」ということで、この技術の具体的な公表と国外に持ち出すことを禁止します。
　ま、「金のなる木」ですので当然の反応とも言えますが...........
　ところが、これは実にあっさり破られることになります。実は1953年、スウェーデンのASEA社がダイヤの合成に成功していたことを、GE社の発表の後に公表します。これは、最高2760度、８〜９万気圧の条件下で1mmのダイヤを合成に成功していた、というもので、公表しなかった理由は「宝石に使うにはまだまだだから」というものでした。
　この結果、GE社は「最初の合成」の名誉を受けられず、米政府も技術内容の公開禁止を解除。GE社は各国へ特許出願、ということになり、ダイヤの工業合成に着手することとなります。

　ま、こうしてダイヤの人工合成は始まることとなりますが。
　現在では当初の夢であった「宝石に使えるサイズ」のダイヤの合成も可能となっています。いろいろとその辺は紆余曲折が知られていますが、スペースが無いので省略しますけれど、数カラットサイズ、あるいはそれ以上のダイヤの合成が可能です。
　では、なぜそういうのが出回らないのか？
　答えは簡単でして........金と時間がかかるのが欠点です。ま、実は小さいものなら1gあたり1000〜2000円ぐらいで合成できるのですが、大きな宝石クラスになると、高温高圧の条件で１週間、という感じで機械を動かすこととなります。その維持費はばく大なものでして......ま、せいぜいが「研究用」に造る程度となっています。
　まぁ「宝石サイズが安価に大量生産が可能」な合成方法が見つかれば、多分凄いことになると思いますけどね.........
＃工業の世界では革命が起こり、宝飾の世界も値段の変動が起こるでしょう。

　さて、宝石サイズの合成だけでなく、別の話もしておきましょう。
　現在ではダイヤの合成法はいくつか存在していまして、工業用や研究用に使われています。以前書いたように、生産されるダイヤは半分以上は工業用です（内容は前回を参照）。
　どういう合成法が今はあるのか？
　その一つは上のような圧力をかける機械、というのもありますが、他にも火薬を使う方法もあります。この方法は容器にグラファイトと火薬を詰めまして、火薬を爆発させてその圧力でダイヤを作る、というものです。もっともこの方法は「小粒」のものしかできず、効率はあまり良くありませんが。
　一方、ダイヤの合成の研究が進むにつれ、高温高圧の条件下ではなく、低温低圧の条件下でもダイヤができることが分かっています。
　これ、最近ではかなり主力の合成方法となっています。

　低温低圧の条件の合成法とはどういうものか？
　この方法は1980年代に日本で開発された技術です。化学的気相堆積法と言いまして、略して「CVD法」と呼ばれます。この合成の特徴的な点は、気相、つまり気体状態の原料からダイヤを合成することにあります。そして、必要な温度は10000〜2000度程度で常圧。原料はメタンガス(CH4)やメタノール（メチルアルコール：その１２７参照）やエタノール（エチルアルコール：同じく１２７参照）などと言ったものです。ま、方法によっていろいろとある感じなのですが、単純な炭化水素化合物が原料となります。
　この原料を（あるいは水素ガスなどと一緒に）熱しますと、常圧下でもダイヤモンドの薄膜ができます（実際には基板を用意し、そこに膜ができる感じです）。
　ま、一時期テレビなどでも「酒からダイヤができる」などと騒がれた（酒はエタノールです）ので、いろいろとご存知の方もいらっしゃるかもしれませんけどね.........現在CVD法もいろいろとあるのですが、現在はさまざまな工業分野においてこの方法で合成が行われています。そして、この方法はさらに研究されていまして、例えば合成の際にある種の物質（ホウ素など）を入れて、半導体の性質を持つダイヤモンド（II型）を作り出してこれを利用できるか、という研究なども行われているようです。
　ただ、このCVD法。安くて簡単（実験室でも可能）というメリットはあるのですが、基本的には「膜」であって、残念ながら宝石用の結晶を作るのは困難なようです。まぁ、それができれば苦労はしていないのでしょうけどね........ただ、こういった膜が工業利用される（ヒートシンクやカッターなど）ので、十分に価値はあると言えますが。

　※専門注：CVDの原理は簡単に言うと、原料から生じるC2やCH、あるいはCH3などがラジカルの状態で存在し、これが基板との間に極端な温度差が作られた結果、ダイヤモンドとして結晶化させるそうです。結晶化しなかった炭素は、水素と混じってガス化し、除かれることとなります。

　尚、ダイヤの合成技術はまだまだ研究が続くようですが。
　最近行われている研究の一例としては、「サッカーボール」の形状で有名になった炭素の同素体、フラーレンを用いるという方法もあるようです。これは、フラーレンを並べてこれに高圧をかけてダイヤにする、という方法のようですが。他にもいろいろとあるようで、将来的にはおそらく、もっと有効なダイヤの合成法ができると思います。

　そうそう、これも忘れてはいけませんか。
　簡単にしかかけませんが、ダイヤの構造研究とその合成法はダイヤのみならず、他の素材研究にも影響を及ぼした、というのは書いておきます。例えば、ダイヤを越える硬度の素材の研究、というものも存在しています。その例の一つは窒化炭素でして、グラファイトに窒素イオンを照射することでできたこの物質は、極めて硬い上、性質などからうまく行けば工業用ダイヤに置き変わる可能性を秘めていると言われています。
　もっとも、これもまだ研究途上、なのですがね。
　ダイヤだけでなく、こういった技術も頭に入れておいてもらえれば、と思います。


　さて、長くなってしまいましたが。
　まぁまだまだ触れることができるものもあるのですが、非常に幅が広い分野ですので、とりあえずダイヤモンドについては以上、ということにしたいと思いますが。少なくとも人類との密接な関係と、その利用というものが幅広いこと。そして、宝飾用だけでなく、将来に向けてかなり期待されている工業原料でもある、ということは頭に入れておいていただければうれしい限りです。
　いや、本当に将来的にはかなり重要な地位を占める可能性が高い、と思われますからね。


　ということで今回は以上、ということで終わりとしましょう。



　さて、今回の「からむこらむ」は如何だったでしょうか？
　ま、社会復帰活動もとりあえず終わり、そして久しぶりのコラムですが.......また書き方忘れちゃいまして(^^;;　結構苦労してしまいましたが。まぁ、ちょいと「いつもと違うなぁ」と思われた方、少しご容赦を(^^;
　まぁ、それはともかくも３回にわたってダイヤモンドの話をしてみました。いろいろと幅が広いものですので、本当に書いてみたいものがまだあったのですが、まぁおおまかな、メインとなる部分には触れることができたかと思います。とにかく、将来的には結構面白い物質となることでしょうから、注目はしていて欲しいと思いますが。
　将来、あなたの身の回りの電子機器はダイヤ製ばかり、なんて起こりえますからねぇ？

　ということで今回は以上で。
　次回はまぁ、何か考えます(^^;　何にしましょうかね.........久しぶりなので考えまくりそうですが。ま、何か考えましょう。

　そう言うことで、今回は以上です。
　御感想、お待ちしていますｍ（＿＿）ｍ

　次回をお楽しみに.......

(2002/09/03記述)
前回分　　　　　　次回分

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