科学はどのようにして驚くべき新しいハードウェアを発明したか

ネイサン・ハースト

最も頑丈なダイヤモンドチップを備えたデバイスを超えることができる工業用ツールをどのように設計しますか? 簡単です。ダイヤモンドよりもさらに硬い新しい材料を作成します。

はい、それはよく誤解されている「事実」です。ダイヤモンドは世界で最も硬い物質です。 このタイトルについてはしばらくの間争われてきたが、今月『Nature』誌に掲載された論文では、さらに別の候補が挙げられている。

「超硬ナノ双晶立方晶窒化ホウ素」では、シカゴ大学、ニューメキシコ大学、燕山大学、吉林大学、河北理工大学の研究者らが、ある形態の窒化ホウ素粒子を超硬バージョンに圧縮した方法について説明しています。

研究者らが実施したテストによると、得られた透明なナゲットの硬度はダイヤモンドに匹敵し、さらにはダイヤモンドを超えていたという。 ビッカース スコアは 108 GPa で、合成ダイヤモンド (100 GPa) を上回り、市販の立方晶窒化ホウ素の硬度の 2 倍以上です。

その秘密はナノ構造にあります。 Yongjun Tian と他の研究者は、薄片状のバラのような形、または Tian が表現するように、マトリョーシカ人形のような形をしたタマネギのような窒化ホウ素粒子から始めました。 摂氏1,800度、15 GPa（車のタイヤの圧力の約6万8,000倍）で圧縮すると、結晶が再組織され、ナノ双晶構造が形成された。

ナノツイン結晶構造では、隣接するアパートと同様に、隣接する原子が境界を共有します。 そして、他のアパートと同様に、双子はお互いを映し合わせます。 通常、物質をより硬くするために、科学者は粒子のサイズを小さくします。これにより、何かが穴を開けにくくなります。粒子が小さいと、点が入り込むための粒子間のスペースが小さくなります。 しかし、このプロセスは壁にぶつかりました。約 10 nm より小さいものでは、固有の欠陥や歪みが粒子そのものとほぼ同じ大きさになるため、構造が弱くなってしまいます。

しかし、ナノ双晶化により物質に穴が開きにくくなり、窒化ホウ素の場合、平均約 4 nm のサイズでもその特徴的な強度が維持されたと Tian 氏は説明します。 さらに、立方晶窒化ホウ素は高温でも安定でした。

「当社のナノ双晶cBNでは、優れた熱安定性と化学的不活性性がダイヤモンドと同等かそれ以上の硬度で維持されており、産業にとって最も望ましい工具材料となっています。」とTian氏は述べています。

同氏は、さらなる研究が進めば、この製品の価格は、現在入手可能なより柔らかい市販形態の立方晶窒化ホウ素と同等になるだろうと予想している。 考えられる用途としては、機械加工、研削、穴あけ、切削工具、科学機器などが挙げられます。

もちろん、問題は、材料の硬度を正確に測定するために、科学者がさらに硬い物質を採取し、それをピラミッドの形に成形し、そのピラミッドを材料に押し込むのにどのくらいの圧力が必要かを調べることです。 これは、より硬いと確信できるものがなければ機能しないため、ティアンの立方晶窒化ホウ素のビッカース数が必ずしも測定の最終決定値になるわけではないと、結晶学者のナタリア・ドゥブロビンスカヤ氏はサイエンティフィック・アメリカン誌で指摘している。

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