河南省のある郡都では「ダイヤモンドがキャベツのように売られている」？ 「成長」しました！

今年初め、全国の文化観光局はさまざまな活動に忙しく、多くの地元の隠れた「地元特産品」が世間の注目を集めました。河南省の洛陽はさらに驚くべきもので、観光客にダイヤモンドを惜しみなく与えていた。最大のものは1カラットで、1日で100個のダイヤモンドが配られました！

一瞬、ネットユーザーの頭の中には大きな疑問符が浮かんだ。河南省は主要な農業省ではないのか？いつからダイヤモンドが特産になったのですか?

写真はインターネットから

実は、河南省は農作物の栽培が得意なだけでなく、「ダイヤモンドの栽培」の歴史も持っています。世界の人工ダイヤモンドの80％は河南省、特に商丘市浙城県で産出されています。

人工的に生成されたダイヤモンドは本物のダイヤモンドですか?

「ダイヤモンドは永遠です。」これは最も有名なダイヤモンドの広告であり、20 世紀で最も成功した広告ともみなされています。ダイヤモンドは、そのまばゆいばかりの輝きと、愛や結婚との密接な関係から、高価であるにもかかわらず、常にすべての人の目に留まってきました。

ダイヤモンドが今よりずっと安い価格で輝き続けることができたら理想的だと思いませんか？ここで人工的に生成されたダイヤモンドが役に立ちます。

養殖ダイヤモンドの英語名は「lab Grown Diamond」で、文字通り実験室で育てられた人工ダイヤモンドを意味します。

それらは本物のダイヤモンドですか？もちろん！

ダイヤモンドは宝石グレードのダイヤモンドであり、ほぼ純粋な炭素で構成されており、グラファイトなどの炭素材料の同素体です。ダイヤモンドの結晶内部では、各炭素原子が周囲の 4 つの炭素原子としっかりと結合し、他の鉱物には見られない特殊な 3 次元構造を形成しています。この緻密な構造により、ダイヤモンドは自然界で最も硬い鉱物となります。

ダイヤモンドとグラファイトの構造の比較。どちらも炭素原子で構成されているため、グラファイトからダイヤモンドを作ることができます。画像出典: ウィキメディア

養殖ダイヤモンドは、天然ダイヤモンドと同様に、純粋な炭素原子で構成された結晶です。両者の結晶構造、物理的性質、化学的性質、光学的性質には本質的に違いはありません。ある専門家は、この2つを鮮明に表現しました。「天然と人工の違いは、川の氷と冷蔵庫の氷の違いのようなものだ」

人工的に栽培されたダイヤモンドは、ダイヤモンド業界の3大鑑定機関によって認定され、本物のダイヤモンドとしての地位が正式に認められたことになります。 2018年、米国連邦取引委員会はダイヤモンドの定義を調整し、養殖ダイヤモンドを初めてダイヤモンドの一般的なカテゴリーに分類しました。

ダイヤモンドはどのように成長するのでしょうか?

天然ダイヤモンドは地中深くに埋もれています。炭素と一定の割合の鉄族金属を含む鉱物です。 900℃～1300℃の高温、45～60kPaの高圧、無酸素環境で数億年かけて形成されます。

天然ダイヤモンドは形成されるまでに長い時間がかかり、入手にも費用がかかります。人工的に生成されたダイヤモンドは、宝石品質のダイヤモンドを生成するのに数週間、あるいは数日しかかかりません。

現在、ダイヤモンドを成長させる主な方法は 2 つあります。1 つは高温高圧 (HPHT) 技術です。もう1つは化学蒸着法（CVD）です。

高温高圧技術は中国、特に河南省に集中している主流のダイヤモンド栽培技術です。主な器具は六面トッププレスです。合成プロセスは、グラファイト粉末、ダイヤモンドシード、金属触媒を巻いたグラファイトカラムを超高温高圧反応室に配置し、グラファイト粉末を金属触媒粉末によって触媒し、シード上で結晶化させるというものです。ダイヤモンドは種結晶の周りでゆっくりと成長し、約1週間で形成されます。最後に研磨され、カットされて輝く新しいダイヤモンドになります。

高温高圧技術を活用したBARSシステムの概略図。画像出典: ウィキメディア

化学蒸着技術は現在、欧米で主に使用されている方法です。その基本的なプロセスは、高温低圧の真空環境下で、ダイヤモンドの種と炭素含有ガスを反応室に一緒に入れ、ガス中の活性炭素原子を分解し、成長条件を制御することで、活性炭素原子を天然ダイヤモンドスライスに均一に堆積させて新しいダイヤモンドを形成するというものです。 2週間後、ダイヤモンドの破片は元の大きさの10倍の大きさになります。グラファイトで包まれたこれらのダイヤモンドは非常に粗いため、輝くダイヤモンドにするにはレーザーでトリミング、カット、研磨する必要があります。

化学蒸着技術を使用して成長したダイヤモンド原石。画像出典: ウィキメディア

2つの栽培方法にはそれぞれ長所と短所があり、その核心技術は原料比率、生産工程、機械にあります。 CVD法で育成されたダイヤモンドは、成長サイクルが長く、コストが高く、色の制御が難しいという欠点がありますが、純度が高く、5カラットを超えるダイヤモンドの合成に適しています。 HPHT法で育てられたダイヤモンドは成長が早く、コストも低いですが、純度が若干低く、より大きなダイヤモンド結晶を育てることができません。 1～5カラットのダイヤモンド原石の大量生産に適しています。

現在、養殖ダイヤモンドの生産、加工、小売市場はそれぞれ中国、インド、米国が独占しています。

なぜ河南省はダイヤモンドを大量に産出できるのでしょうか?

ダイヤモンド原石、つまりダイヤモンドの最も重要な用途は、当初は鑑賞のためではなく、機械加工のためでした。

1950年代には、欧米のいくつかの国が高温高圧法や化学蒸着法などの方法によって人工ダイヤモンドの合成に成功しました。

同時期に、新中国は製造業を発展させるため、全国各地で研磨ホイール工場を建設し、研磨工具を大量生産する場所を選び始めた。河南省鞏義市で大規模なボーキサイト鉱山が発見されたことにより、ついに中国で2番目の研削砥石製造工場が鄭州に設立されました。この研削砥石工場と工場内の鄭州三毛研究所（研磨材と研削工具研究機関）は、後に中国の超硬質材料の「黄埔軍事アカデミー」となりました。

研磨工具を作るために必要な中心となる材料はダイヤモンドです。当時、中国はダイヤモンドを輸入に頼っていました。中国が工業化を加速させたいのであれば、独自の人工ダイヤモンドを開発する必要がある。

このような歴史的使命を帯びて、1960年に鄭州三毛研究所がこの国家研究プロジェクトを引き受けました。 1963年、中国はついに初の人工ダイヤモンドの開発に成功し、米国、ソ連などに次いで5番目の国となった。しかし、人工ダイヤモンドを持っているだけでは十分ではありません。大量生産したいなら、ダイヤモンドを作る機械が必要です。

1965年、鄭州三毛研究所と済南鋳造鍛造機械研究所が協力してこの問題に取り組み、ついにわが国初の六面トッププレスを開発しました。六面トッププレスの生産効率は海外の二面トッププレスの20倍です。この「功績プレス」の出現により、鄭州は研削工具と研磨材の中心地となり、多くの技術者を育成し、河南省の超硬質材料における主導的地位を確立しました。その結果、中国は輸入国から輸出国へと変わり、超硬質材料の中心地となり始めました。統計によると、河南省の超硬材料業界には約300社の大規模企業と7社の上場企業がある。

技術者たちが生産工程について話し合っています。画像出典：新華社記者楊晶

技術の向上により、六面トッププレスで育成されたダイヤモンドの純度はますます高くなり、宝石グレードのダイヤモンド基準に到達することが容易になりました。現在、河南省浙城県は中国の「人工ダイヤモンドの首都」となり、多くの有名な関連企業を生み出しています。

コスト効率の高い人工養殖ダイヤモンド

市場はそれを買うでしょうか？

現在、市場に出回っている宝石グレードの天然ダイヤモンドの開始価格は、1カラットあたり約20,000です。採掘コストが高いことも要因ではあるが、価格が高騰している主な理由はダイヤモンド資源の独占である。統計によると、世界のダイヤモンド資源の70%は、上位5社のダイヤモンド製造業者の手に握られています。彼らは業界全体のゲームのルールを設定し、絶対的な価格決定力を持っています。

しかし、人工ダイヤモンドの栽培技術の向上により、人工ダイヤモンドの品質は天然ダイヤモンドに匹敵し、コストは天然ダイヤモンドの10％程度で済むと言われています。こうした大きな利益率に惹かれて、デビアスやスワロフスキーといった伝統的な宝飾品大手も人工ダイヤモンド市場への進出を計画し始め、LVMHやグッチなどの高級ブランドも関連プロジェクトに投資し始めている。

コレクションレベルのダイヤモンドは天然性と希少性が価値の鍵となりますが、日常生活で身につけるアクセサリーとして、人工ダイヤモンドはコストパフォーマンスが極めて高いことから徐々に消費者に認知されつつあり、市場の見通しは広いです。

消費者は人工ダイヤモンドジュエリーを選んでいます。画像出典：新華社記者楊晶

養殖ダイヤモンドを身につけていることが周囲にわかるかどうか、心配する人は多いです。肉眼では全く見えません。輝き、透明度、色など、すべて本物のダイヤモンドと同じです。違いは、2 つのスペクトルを検出する大型の機器を使用することによってのみ識別できます。養殖ダイヤモンドの工業化が進むにつれ、人工ダイヤモンドの価格はさらに下がるでしょう。

宝石であることに加えて

人工的に作られたダイヤモンドの未来は明るい

一見すると芸術品のような美しいダイヤモンドは、実は工業分野でも広く利用されており、「工業の歯」とも呼ばれています。

ダイヤモンドは硬度が非常に高いため、ガラスの切断、手作業による研磨、工作機械から石油・ガスの掘削、地質調査、石炭・鉱物の採掘、新エネルギーに至るまで、さまざまな生産分野で古くから使用されてきました。

さらに、ダイヤモンド自体は化学的性質が安定しており、酸性やアルカリ性にも強く、熱伝導率が極めて高いという特徴があります。 「シリコン」よりも環境に優しく、効率が良く、理想的な究極の半導体材料とされています。

現在、市場に出回っている半導体材料のほとんどはシリコンで作られています。しかし、シリコンには弱点がいくつかあります。熱くなりやすく、冷却効率が悪く、電子廃棄物の主な発生源となります。ダイヤモンドにはこうした問題はまったくありません。ダイヤモンド半導体は電力密度を高め、より高速、軽量、シンプルなデバイスを実現する可能性があります。人工的に成長したダイヤモンドの重要な将来の発展は、光学、熱、半導体研究への応用です。

企画・制作

著者: Adun 人気科学クリエイター

査読者: 国立自然史博物館准研究員​​、ガオ・ユアン

企画丨Lin Lin

編集者：何童

校正：Xu Lai、Lin Lin