低温低圧、短時間でナノダイヤモンドを合成：アダマンタンの結晶に電子線照射

東京大学の研究グループは、原子分解能透過電子顕微鏡を用い、「アダマンタン（Ad）」の結晶に電子線照射を行い、大きさがそろった球状の「ナノダイヤモンド（ND）」を、低温・低圧という条件下で短時間に合成した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

高速・高分解能電子顕微鏡法でNDが生成する過程を観察

　東京大学大学院理学系研究科の中村栄一特任教授らによる研究グループは2025年9月、原子分解能透過電子顕微鏡を用い、「アダマンタン（Ad）」の結晶に電子線照射を行い、大きさがそろった球状の「ナノダイヤモンド（ND）」を、低温・低圧という条件下で短時間に合成できたと発表した。

　ダイヤモンドはその輝きだけでなく、硬度や生体適合性にも優れている。こうした特性から、NDと呼ばれるナノスケールのダイヤモンドは、材料科学や生命科学の分野で注目されている。ところが、人工ダイヤモンドを合成するには、約1500℃の高温かつ約10GPaの高圧といった条件が必要となる。その上、NDはサイズの制限もあり、構造欠陥が避けられなかったという。

　こうした中、ダイヤモンド骨格の構成要素である10炭素の環状構造を持つAdのC-H結合を全て取り除くことができれば、ダイヤモンドになることがこれまでの研究で分かっていたという。

ダイヤモンドの合成と成因［クリックで拡大］ 出所：岡山大学の神崎正美教授（実教出版理科資料）

アダマンタンからのダイヤモンド合成［クリックで拡大］ 出所：東京大学

　研究グループは今回、独自開発のイメージング分析手法「高速・高分解能電子顕微鏡法（SMART-EM）」を活用、Ad結晶に80〜200keVの電子線を照射して、NDが生成する過程を観察した。これにより、水素ガスが発生・消滅し、Adオリゴマーから球状かつ欠陥のない立方晶NDが生成される様子を確認できたという。

　具体的には、Ad₅（5量体）からAd₈への展開が、〜9×10⁹nm²（e⁻）⁻¹の一次反応速度で進んだ。さらに、Ad₁₇からAd₂₆への成長が〜12×10⁹nm²（e⁻）⁻¹という、ほぼ同じ一時反応定数で進行することが分かった。

　ダイヤモンド骨格が成長する様子を、オングストローム以下の空間分解能と、ミリ秒レベルの時間分解能で撮影した。この結果、電子線によってAd分子が最初にイオン化し、C-H結合が選択的に切れる。これによって生じたラジカルが、二重化を繰り返すことによりAdの多量化が進み、ダイヤモンド骨格が成長することを確認した。

　これらの研究成果に基づき、合成条件を最適化したところ、−173〜23℃の低温かつ10⁻⁵Paという低圧の環境で、しかも1〜20秒という短い時間で、NDを収率100％で合成することに成功した。

AR-TEMによる分子レベルのND生成解析［クリックで拡大］ 出所：東京大学

想定される反応機構［クリックで拡大］ 出所：東京大学

ND結晶のサイズ分布解析［クリックで拡大］ 出所：東京大学