どちらも炭素でできていますが、なぜグラファイトは柔らかく、ダイヤモンドは硬いのでしょうか?

制作：中国科学普及協会

著者: スーパーコンチネントチーム

プロデューサー: 中国科学博覧会

ダイヤモンドというと、まばゆいばかりに輝く光景を思い浮かべますが、ダイヤモンドは持ち主の活躍とともに輝きます。しかし、価格が高いため、ほとんどの人はそれを避けざるを得ません。それにもかかわらず、人々は今でもダイヤモンドを切望しています。

（写真提供：veerフォトギャラリー）

ダイヤモンドとは何か知っていますか？その化学組成は炭素（C）です。天然ダイヤモンドは研磨されて初めて「ダイヤモンド」と呼ばれます。天然ダイヤモンドは非常に希少であり、希少であるからこそ価値があるのです。 「ダイヤモンド」として使用できる天然ダイヤモンドは非常に希少であるため、人々はそれを置き換えるために「人工的に作り出す」ダイヤモンドを望んでおり、当然、ダイヤモンドの「双子」の兄弟であるグラファイトを思い浮かべます。

ダイヤモンドとグラファイトの化学組成は炭素 (C) で、科学者はこれを「同形体」または「同素体」と呼んでいます。この名前から、それらは同じ「品質」を持ちますが、「形状」や「性質」が異なり、それらの間には大きな違いがあることがわかります。ダイヤモンドは現在最も硬い物質であり、一方グラファイトは最も柔らかい物質の一つです。

鉛筆の芯が黒鉛の粉末と粘土の混合物で作られていることは誰もが知っています。黒鉛粉末が多いほど鉛筆の芯は柔らかくなり、「B」で表されます。粘土が多いほど鉛筆の芯は硬くなり、「H」で表されます。鉱物学者はモース硬度を相対的な硬さを表すのに使用し、ダイヤモンドは 10、グラファイトは 1 です。これらの硬度が大きく異なる理由は、内部構造が大きく異なるためです。

（写真提供：veerフォトギャラリー）

グラファイト内部の炭素原子は層状に配列されています。 1 つの炭素原子に結合している炭素原子は 3 つだけです。炭素は六角形の環を形成し、無限の数の六角形が層を形成します。層間の結合は非常に弱いですが、層内の 3 つの炭素原子は非常に強いため、力が加わると層が簡単に滑ります。これが、グラファイトが非常に柔らかく、筆記具として使用できる理由です。

ダイヤモンド内部の炭素原子は「骨格」のように三次元空間に配列されています。 1 つの炭素原子は 4 つの炭素原子に囲まれており、3 次元空間で骨格を形成します。この構造はあらゆる方向への結合力が均一で、結合力が強いため、ダイヤモンドに高硬度という特性を与えます。

（写真提供：veerフォトギャラリー）

グラファイトとダイヤモンドの硬度の差は非常に大きいですが、自然界におけるグラファイト（炭素）の埋蔵量は非常に豊富であるため、人々は依然として人工合成によってダイヤモンドを得ることを望んでいます。しかし、グラファイト中の炭素をダイヤモンドのように配列した炭素に変化させることは容易ではありません。人々は18世紀後半から今世紀半ばにかけて、それを合成する方法を模索し始めました。 1938年、学者ロッシーニは熱力学計算を通じて合成ダイヤモンドの理論的基礎を築きました。彼は、グラファイトをダイヤモンドに変えるには、少なくとも15,000気圧の圧力と1,500℃の高温が必要であることを突き止めました。 1950 年代から 1960 年代にかけて、上記の条件を満たす機器や装置が開発されました。グラファイトは、金属鉄、コバルト、ニッケルなどを触媒として、50,000～60,000気圧（(5-6)×103MPa）の圧力と1000～2000℃の高温下でダイヤモンドに変換することができます。

現在、世界の十数カ国（私の国も含む）でダイヤモンドの合成が行なわれています。しかし、この種のダイヤモンドの粒子は非常に細かいため、主な用途は切削用の研磨材や地質および石油掘削用のドリルビットとしてです。現在、世界のダイヤモンド消費量の80％は主に産業用に使用されており、その生産量は天然ダイヤモンドの生産量をはるかに上回っています。

現在、宇宙ステーションの宇宙飛行士の放射線防護マスクから、南北水路プロジェクトの巨大シールドマシンのドリルビット、CVTトランスミッションの精密成形電気メッキ研削ホイールの鋭いエッジまで、中国製の人工ダイヤモンドは、最も鋭い「工業用歯」として、次々と陶磁器の仕事を引き受け、多くの国内製造会社に技術的なボトルネックを突破するための「優れたツール」を提供しています。