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一般的な話題

ダイヤモンドは砕けない

 

4月の誕生石 ダイヤモンド

 

世界一硬い物質としてダイヤモンドは知られ、他の物質では歯が立たず、そのためダイヤモンドはダイヤモンド自体でもって磨かれます。なんという発想の転換、子どもの頃それを聞いて驚いたものです。4月になりましたので誕生石にちなんで、ダイヤモンドがなぜ磨けるのか、分子動力学のシミュレーション結果を紹介したいと思います。ただ単に、硬いもの同士で砕かれていたというわけではないようですよ。物理変化だけではなく、ダイヤモンドの研磨に潜んでいた化学反応とはいったい?

永遠の絆の象徴として、宝飾品でおなじみのダイヤモンド。ずば抜けて高い屈折率を持ち、電気は通さないものの熱はよく通し、ひっかき傷に対する硬さではナンバーワン。炭素の単体として知られ、産業界でも重要な材料です。 

硬いダイヤモンドを「磨く」というのだから、変化はやはりダイヤモンドの表面で起きています。研磨にともなう変化の舞台となるダイヤモンドの表面はどうなっているのかというと、高校ではごまかされてしまったと思いますが、アルキル基の水素原子であったり、ヒドロキシ基であったり、カルボニル基であったりして、永遠に炭素原子が続くわけではありません。今回、紹介する分子動力学シミュレーション[1]では、炭素原子の連なる端は便宜上すべて水素原子であるものとして演算しています。

samdiamond

ダイヤモンドは端まで永遠に炭素原子が続くわけではないッ!

 

ダイヤモンドで通常もとの炭素原子は4方向に結合がのびるsp3混成軌道を取っています。メタンやエタンと同じアレです。

強い力をかけてダイヤモンドどうしをこすりあわせると、まず3方向に結合がのびるsp2混成軌道になります。エチレンと同じアレです。

さらに、このまま続けると、炭素原子が2方向に結合がのびるsp混成軌道を取ります。アセチレンと同じアレです。

炭素がアモルファスに変化するとともに、ここで大気中の酸素分子が登場し、sp軌道を取った不安定な炭素原子と反応して、二酸化炭素なり一酸化炭素なりが生成するようです。単に砕かれていたわけではなく、磨かれるとダイヤモンドは表面だけ燃えていたというのです。

以前から知られていた減圧下ではダイヤモンドを擦りあわせても磨かれにくいという観察を、このシミュレーション結果は上手く説明することができます。酸素分圧がかなめだったのでしょう。

 

GREEN0401.PNG

論文[1]より

さすがダイヤモンド!

他の物質たちにできないことを平然とやってのけるッ!

 

 参考論文

[1] “Anisotropic mechanical amorphization drives wear in diamond” Lars Pastewka et al. Nature Materials 2010 DOI: 10.1038/NMAT2902 

 

関連書籍

 

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静岡で化学を教えています。よろしくお願いします。
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コメント

  1. "磨かれるとダイヤモンドは表面だけ燃えていた"ダイヤ同士で擦ると減っちゃうんだなー。

  2. ふむ

  3. 真空下だともっと強いということ?

  4. ダイヤモンドは砕けない – 化学者のつぶやき -Chem-Station-:

  5. うむ、ダイヤモンドは男心に訴える男の宝石なのだ(´ω`*)

  6. タイトルはジョジョ、中身は化学。はたしてそのオチは!(ダイアを磨くということは表面を燃やしているということ)

  7. これは興味深い!研磨って化学反応だったのかー

  8. 意外、ダイヤでダイヤを研磨するとき、、、実は表面だけ燃えていたッ!!

  9. タイトルがカコイイ

  10. おじさんは一番硬いのはオリハルコンだと習いました

  11. そこにシビれるあこがれるゥ!

  12. クレイジーダイヤモンド。ではない

  13. 研磨する時に燃えているというのは初めて知った。ただ、ダイヤモンドは硬度は高いが、劈開(へきかい)面からの脆性破壊には弱い。つまり、傷つける事は難しいが、砕くのは意外に簡単。

  14. クレイジーダイヤモンド。ではない

  15. 知識も立場もありそうな人が、マンガネタをやった日にゃあ、立つ瀬がないぜぇ~。

  16. タイトルも中身もジョジョだった

  17. おどろき

  18. いいや限界だ!磨くね!

  19. そういうことだったのか!"砕かれていたわけではなく、磨かれるとダイヤモンドは表面だけ燃えていた"

  20. via Read it Later

  21. なんというか、タイトルが既にジョジョw

  22. ただ硬度と"靭性"は別なので鉄板上のダイヤを金槌でぶっ叩けば敢えなく砕けてしまうのだけれども http://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/qa/question_detail/q1473762029

  23. 読み返したくなった。

  24. "単に砕かれていたわけではなく、磨かれるとダイヤモンドは表面だけ燃えていたというのです。" ダイヤモンドを磨くには酸素が必要と。へぇー

  25. ダイヤモンドの研磨についての話。面白い。

  26. 『単に砕かれていたわけではなく、磨かれるとダイヤモンドは表面だけ燃えていたというのです。』

  27. 歯科技工士だった母はダイヤ燃やして遊んでたとか

  28. ”単に砕かれていたわけではなく、磨かれるとダイヤモンドは表面だけ燃えていた”

  29. 「単に砕かれていたわけではなく、磨かれるとダイヤモンドは表面だけ燃えていたというのです。」

  30. そこに痺れる憧れるゥ!/本当ね。こう言う人が漫画ネタ使っちゃダメですよ。ただのプロの犯行じゃない。

  31. "単に砕かれていたわけではなく、磨かれるとダイヤモンドは表面だけ燃えていたというのです"この分子シミュレーションがサザエさんみてーだとォーッ!

  32. 「単に砕かれていたわけではなく、磨かれるとダイヤモンドは表面だけ燃えていたというのです。」

  33. 「トリビアの泉」で金槌で砕いていたよ……という話ではなかった。

  34. ふおーん

  35. その身を焦がして己を磨くというのか

  36. @plus7: ダイヤモンドは砕けない http://t.co/wxoCm1La

  37. ジョジョネタwww

  38. 『単に砕かれていたわけではなく、磨かれるとダイヤモンドは表面だけ燃えていたというのです』

  39. ジョジョ好きなんやねえ。/意外と砕けやすくて燃えやすいと聞いたことがありますが。

  40. タイトルだけでブクマ余裕でした。そして中身も面白い。

  41. 防御力999、弱点:火属性

  42. 面白い。/MDで,化学結合の変化って計算できるのか?ただ,あのサイズだとDFTはもちろん,MM回すのも大変そう。

  43. ダイヤモンドを金づちで叩くと砕けると青木雄二が書いていたけど、実際のところどうなんだろう

  44. 物理変化だけではなく、ダイヤモンドの研磨に潜んでいた化学反応とはいったい?

  45. へぇー! / sp3混成軌道とかすげー久しぶりに目にしてニヤニヤが止まらないw

  46. ダイヤモンドは端まで永遠に炭素原子が続くわけではないッ!/ダイヤモンドは砕けない – 化学者のつぶやき -Chem-Station-

  47. バキでオバマっぽい人が勇次郎に「コールタールの塊を握力による圧力で圧縮させてダイヤに変えてくれ」って言ったのは見当違いだったんだな。

  48. おもしろい

  49. あれっ?sp3混成軌道とかふつうのひとにも通じる単語だっけ? マクマリーとかいう単語を思い出してうわぁという気分になった

  50. これはおもしろい。他の物質の研磨も原子レベルで観察したら色々と固定観念が覆されそうだ。

  51. ゴルゴ13的には砕ける

  52. 分子動力学でメカノケミストリーな現象がシミュレートできるのか・・ / 酸化剤に漬けてor湿らせて磨けばよく磨けそうな気もする

  53. ダイアモンドのトリビア。知らなかった。

  54. "磨かれるとダイヤモンドは表面だけ燃えていた""減圧下ではダイヤモンドを擦りあわせても磨かれにくいという観察を、このシミュレーション結果は上手く説明することができます。酸素分圧がかなめ"

  55. さすがダイヤモンド! 他の物質たちにできないことを平然とやってのけるッ!

  56. 同じ硬さのモノ同士で研磨するという謎を分子動力学で解明

  57. "ダイヤモンドの表面は、アルキル基の水素原子であったり、ヒドロキシ基であったり、カルボニル基。sp3混成軌道が、磨くことでsp軌道になり、不安定な炭素原子と反応してCO2なりCOなりが生成するようです。"

  58. 「ダイヤモンドがなぜ磨けるのか、分子動力学のシミュレーション結果」

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