黒鉛がダイヤモンドに変わる「最初の一瞬」を捉えることに成功
ダイヤモンドと黒鉛は、どちらも炭素だけでできています。
違いは炭素のつながり方で、黒鉛では炭素が平たいシートをつくり、それが何枚も重なっています。
ダイヤモンドでは、炭素が立体的にがっちりと結びついています。
黒鉛に強い圧力と熱を加えると、このつながり方が組み替わってダイヤモンドになります。
圧力で固体の構造が変わる現象の代表例として、古くから研究されてきました。
ところが、原子がどんな道筋で組み替わるのかについては、長いあいだ議論が続いてきました。
最初の種ができる瞬間はあまりに速く、その場面をとらえるのが難しかったからです。
今回、ある研究チームは、炭素でできた細い筒を使ってこの謎に迫りました。
黒鉛の中で、ダイヤモンドの「最初のひとかけら」はどのように生まれているのでしょうか？
研究の詳細は、2026年11月3日付で学術誌『Nature Communications』に掲載されました。
育つうちに埋もれてしまう「ダイヤの種」
これまでの実験では、黒鉛を高い圧力と高い温度にさらし、取り出した試料をあとから調べてきました。
取り出した試料は、小さな結晶の寄せ集めや、並びの乱れた炭素になっていることが多いのです。
そのため、最初の種が生まれた場面は埋もれて見えなくなっていました。
コンピューターの計算にも、別の壁がありました。
これまでの計算の多くは、ダイヤの種をあらかじめ置いたり、わざと欠陥を入れたりしていました。
何もないところから種が自然に生まれる場面は、飛ばされていたのです。
そこで研究チームは、計算と実験の両方から、この最初の場面に迫りました。
計算では、起きにくい変化を早回しで起こさせる手法(メタダイナミクス)を使いました。
目印にしたのは、炭素1個がいくつの相手と結びついているかという数です。
この目印はダイヤの種類を区別しないので、種を置かなくても自然に生まれるかを確かめられます。
実験では、形の違う2種類の炭素に高い圧力と高い温度をかけました。
1つは、層がきれいにそろった黒鉛(高配向性熱分解黒鉛)です。
もう1つは、炭素のシートを何重にも丸めた細い筒(多層カーボンナノチューブ)です。
筒の中では壁にさえぎられるので、変化が広い範囲へ一気には広がれません。
そのため、生まれたばかりの種が育ちすぎず、取り出した試料の中に残りやすくなるのです。
チームは、原子の並びまで見える電子顕微鏡(高分解能透過型電子顕微鏡)で試料を調べました。
ふだんは一瞬で過ぎる最初の段階を、試料の中に閉じ込めて残す作戦です。
チームが筒の中で測った216個の種は、どの大きさに偏っていた？
まず、計算の中で起きたことから見ていきましょう。
圧力をかけた黒鉛では、重なったシートが揺れ動き、シートのあいだに一時的な結合が生まれました。
ダイヤモンドと同じ、立体的な結びつき(sp3結合)です。
しかしこの結合は長続きせず、すぐに切れてしまいます。
最初の2回の揺らぎでは、消えずに残る種は1つもできませんでした。
それでも、結合ができては切れる揺らぎがくり返されるうちに、種ができそうな形が何度も現れます。
そして3回目の揺らぎで、早回しの後押しを加え続けたことにより、計算は揺らいだ黒鉛の状態から抜け出しました。
やがて揺らぎが局所的に集まってまとまり、消えずに残るダイヤのような種が2つ生まれたのです。
つまり、ダイヤの種はある瞬間にいきなり現れたわけではありません。
その前に、シートどうしがつながりかけては離れる揺らぎが、何度も起きていたのです。
では、実験で回収した筒の中には、何が残っていたのでしょうか？
電子顕微鏡で調べると、筒の中から大きさ2〜6ナノメートルのダイヤの種が見つかりました。
1ナノメートルは、1ミリメートルの100万分の1という小ささです。
チームが216個の種を測ると、大きさは主に3〜5ナノメートルの範囲に集まっていました。
チームはこの分布から、種が安定して育つかどうかの境目の大きさ(臨界サイズ)を約4ナノメートルと見積もりました。
境目より小さい種は不安定で崩れやすく、境目を超えた種は一気に育ってしまうと考えられています。
計算でも、ダイヤが育つときに越える壁は、種ができるときの壁よりずっと低くなっていました。
そのため、筒の中に残った種は、境目のまわりの大きさに集まったとみられます。
さらに、種の中の原子の並びにも、大きさによる違いがありました。
4ナノメートルより小さい種では、原子の間隔が広がり、結晶が引き伸ばされていたのです。
筒に閉じ込められたことで、種の内部にひずみがたまったためと考えられています。
一方、それより大きな種では、ひずみが少しずつほどけ、本来の並びに近づいていました。
このひずみがほどけ始める大きさは、分布から見積もった約4ナノメートルとよく一致していました。
筒の形を再現した計算でも、いくつもの種が生まれ、筒の層の中に閉じ込められたまま残る様子が確かめられました。
筒による閉じ込めが、ふだんは一瞬で過ぎてしまう種の段階を、試料の中に残していたのです。
実際、筒から回収した試料には、層がそろった黒鉛から回収した試料よりも、ずっと高い密度で種が残っていました。
温度で変わる育ち方と、境目に現れる「5個の輪」
では、種が生まれたあと、ダイヤはどう育っていくのでしょうか。
チームは、計算の途中から2ナノメートルより小さい種を含む黒鉛を取り出し、その続きを計算しました。
圧力は15ギガパスカルで、地上の空気の圧力のおよそ15万倍にあたります。
温度は、約1700℃と約2000℃で比べました。
すると、温度によって育ち方が切り替わりました。
低めの温度では、シートとシートのあいだに結合をつくりながらダイヤが広がります(層間を介した成長)。
温度が上がると、1枚のシートの面に沿って変化が進む育ち方(層内を介した成長)へ移っていったのです。
この切り替わりは、層がそろった黒鉛を使った実験でも確かめられています。
約15万気圧・約1800℃から回収した試料では、シートのあいだで成長が途中まで進んだ境目がとらえられています。
成長の最前線では、もう1つ意外な形が見つかりました。
育っていく境目には、ダイヤ本来の炭素6個の輪とは違う、炭素5個でできた輪が一時的に現れていたのです。
この5個の輪は、回収した試料の中でも確認されており、次に述べる六方晶ダイヤモンドができることにも関わっているとみられます。
六方晶ダイヤモンドは、原子の積み重なり方がふつうのダイヤと異なるダイヤです。
チームは、5個の輪がシートの積み重なり方を局所的に変え、このダイヤができるのを後押しすると考えています。
また、退いていく黒鉛と進んでくるダイヤの境目では、形がかみ合わない部分が生まれます。
そこでは5個の輪と7個の輪が組になった欠陥が、結晶のつながりを保っていました。
この組になった輪も、回収した試料の中ではっきりとらえられています。
そして、どちらの育ち方で進むかが、最後に結晶の粒どうしがくっつくときの姿を左右していました。
結晶の向きが鏡に映したように反転する境目(双晶境界)や、六方晶ダイヤの薄い層は、この段階で生まれていたのです。
研究チームは、規模によって変化の道筋が変わることを示し、食い違っていた理論をまとめられるとしています。
また、出発点となる炭素の形を選べば、性能の高いダイヤ材料の内部構造を設計する手がかりになると述べています。
ただし、種が生まれる前の揺らぎのくり返しは、計算の中で示されたものです。
実験で見たのは、筒の中に閉じ込められた種や、黒鉛の中に残った成長の境目など、あくまで回収された試料の姿でした。
ダイヤに変わる一瞬そのものを、動画のように直接見たわけではありません。
それでも、いくつもの種が筒の層の中に閉じ込められたまま残る様子のように、計算と回収した試料の結果はよく重なっていました。
ダイヤモンドの最初のひとかけらは、炭素のシートどうしが握手しかけては手を離す、そのくり返しの末に生まれていたのです。
参考文献
Scale-dependent pathways of the graphite-to-diamond transition (Nature Communications)
https://doi.org/10.1038/s41467-026-79277-z
元論文
Scale-dependent pathways of the graphite-to-diamond transition
https://doi.org/10.1038/s41467-026-79277-z
ライター
山下 浩介: むずかしい研究を、なるべく分かりやすく伝えたい。専門の言葉はふだんの言葉に置きかえて、身近な例で例える。それで「わかった」「楽しかった」と言ってもらえたら嬉しいです。
好きなのは、通学路や台所や日常の中にある科学。眠っているあいだに記憶が整理される話や、虫の鳴き方に意味がある話のように、読み終わったあとに誰かへ話したくなる研究を探しています。
編集者
ナゾロジー 編集部