From soft hcb (2D) C16 to ultrahard lon (3D) C16 and derived superhard carbonitride tpd-C12N4: Structure engineering and DFT
本研究は、結晶化学工学と密度汎関数理論を利用して、軟質な2次元層状hcb-C16炭素同素体を超硬質な3次元ロンズデライト様lon-C16構造およびそこから派生した超硬質tpd-C12N4炭窒化物へと変容させ、それらの機械的安定性、電子特性、および熱的挙動を特性評価するものである。
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炭素は変装の名手である。最も馴染みのある形態では、炭素原子は平らなハニカム状のシート状に並び、それらが互いに容易に滑ることで、私たちがグラファイトとして知る柔らかい黒い物質を作り出す。猛烈な圧力の下では、これと同じ原子が強固な三次元のケージ状に結合し、既知の天然物質の中で最も硬いダイヤモンドを形成する。科学者たちは長年、これら二つの極端な状態の間にある領域に魅了され、特定の有用な特性を持つ材料を作り出すために、炭素原子を配置する新しい方法を模索してきた。その目標は、単に硬いだけでなく、ダイヤモンドをも凌駕するほどの硬度を持つ「ウルトラハード」な構造を設計することや、ダイヤモンドにはできない方法で電気を伝導する材料を創出することにある。この探求は、材料の原子レベルの骨格の形状がいかにその挙動を決定づけるかを理解することに依存しており、そこではコンピュータ・シミュレーションが、自然界が見落としたかもしれないものを予測する上で主導的な役割を果たしている。
最近の研究において、レバノン・ドイツ大学の研究者たちは、柔らかい二次元の炭素構造を、ウルトラハードな三次元構造へと変容させるための特定の経路を調査した。彼らは、hcb-C16として知られる理論上の平坦な炭素シートから研究を開始した。この状態では、原子は単層に存在し、鉛筆に使われるグラファイトのように、材料を比較的柔らかく、かつ電気を伝導させるような結合の仕方をしている。研究チームは高度なコンピュータ・モデリングを用い、この平らなシートに対して押し引きを行い、具体的には垂直軸に沿って層を「バックリング（座屈）」させた場合に何が起こるかをシミュレートした。パッカリング（しわ寄せ）として知られるこのプロセスは、原子を平坦な面から押し出し、新たな三次元的な配置へと強制的に移行させるものである。
この構造工学の結果として生まれたのが、lon-C16と呼ばれる新しい形態の炭素である。その平坦な前身とは異なり、この新しい構造は、各炭素原子が4つの隣接原子と結合するピラミッドのような形状であるテトラヘドロン（四面体）から構成されている。この幾何学的構造は、隕石の衝突跡で見られる希少な六方晶のダイヤモンドの一種であるロンズデライトに類似している。シミュレーションによれば、この変容によって材料の性質が根本的に変化することが示された。柔らかい導電性のシートは、ウルトラハードな絶縁体へと変化したのである。研究者たちは、この新しい同質態が95ギガパスカルの硬度を持つことを算出した。これはダイヤモンドの値に等しい。このことは、既存のシート状の原子を単にバックリングさせた三次元格子へと再配置するだけで、理論上、最も硬い天然の石と同じくらい強靭な材料を作り出せることを示唆している。
チームは純粋な炭素の研究にとどまらなかった。彼らは同じ構造的論理を適用し、一部の炭素原子を窒素原子に入れ替えることで、C12N4と呼ばれる化合物を含む関連材料を作成した。この新しい構造では、窒素原子がテトラヘドラル（四面体）構造内の特定の炭素サイトの代わりを務める。この置換により、研究者が「スーパーハード」と分類した材料が誕生した。その計算された硬度は61ギガパスカルである。純粋な炭素版ほど硬くはないものの、この炭化窒素は元の平坦なシートよりも大幅に硬く、異なる電子特性を備えている。シミュレーションによれば、平坦な炭素シートは電気を伝導するが、純粋な3D炭素形態は絶縁体として機能するのに対し、この窒素を豊富に含む化合物は半導体として振る舞うことが示されており、この特性は電子機器への応用において価値がある可能性がある。
これらの材料が単なる理論上の空想ではなく、物理的に実現可能であることを確実にするため、研究者たちはコンピュータ・モデル内での厳格なテストを行った。彼らは「動的安定性」を検証した。これは、原子が構造を崩壊させるような振動を起こさないかどうかを問うものである。平坦な炭素シートは振動において不安定な兆候を示し、その柔らかい性質を裏付けたが、3D炭素形態と窒素化合物は共に安定した形で振動しており、現実の世界で存在し得ることを示唆していた。また、チームはこれらの材料が熱にどのように反応するかを分析し、3D炭素形態の熱的挙動が天然のダイヤモンドと密接に一致することを発見した。本研究は、原子層を注意深く操作することによって、同じ基本的な構成要素から派生した、柔らかく導電性のあるものからウルトラハードで絶縁性のあるものまで、幅広い家族の材料を設計することが可能であると結論付けている。
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