Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

レーザー衝撃圧縮 / 炭素新相 / フラーレン / 衝撃波 / 非晶質ダイヤモンド / ナノクリスタリンダイヤモンド / 赤外線温度計 / 衝撃温度 / レーザー衝撃 / 高強度レーザー / 超高速 / 衝撃圧縮 / 超高圧力 / 超高温 / 炭素 / 新相 / レーザー衝撃圧力

本研究は3年間亙って実施し、3J-YAGレーザーの試料表面の微小面積(直径0.5mm)に集中して直接照射することによって衝撃波を発生させる技術を開発した。また、その反作用によって金属箔飛翔板を加速し、0.1mm程度の微小距離を飛翔させて試料に衝突させることによって衝撃超高圧力を発生させる技術を確立した。それらの衝撃波速度と物質速度の測定を行うことができるレーザー干渉計を作成し、飛翔板加速のレーザ衝撃実験を行った。その結果、レーザービームのエネルギー分布に伴う飛翔板の変形が見られ、一様な平面衝撃波を得るためにはレーザーのプロファイル制御が必要であることが分かった。また、ダイヤモンド合成が可能となる50GPa以上の圧力を得るためには照射直径を0.1mm以下にする必要があり、解析に有効な試料量を得るためにもプロファイル制御が必要であることが分かった。これらのレーザー衝撃圧縮状態は、有限差分法ハイドロコードを用いた時間・空間分解型のシミュレーションと良く一致しており、テーブルトップレーザー誘起衝撃圧縮法の設計が可能となった。
現状装置により、C_<60>フラーレン蒸着膜を10GPa以下の圧力でレーザー衝撃圧縮して回収し、そのラマン散乱スペクトルを調べたところ、フラーレン分子が重合したと見られるピークが観測された。従来法と比較して試料の回収が極めて容易であり、一枚の箔状試料に対して多くの衝撃条件を変化させた微小な試料を一度に作成することが可能となり、本方法は高効率物質探索の技術といえる。
一方、従来の衝撃銃による条件との比較のために10μm帯の赤外域衝撃温度測定装置および1μm帯と可視域衝撃温度測定装置を作成し、四塩化炭素液体試料の衝撃温度測定に応用して装置の検証を行った結果、ルミネッセンスなどの擾乱が少ない衝撃温度計となることが分かった。しかし、発光面積が小さいために、レーザー衝撃法に適用するには感度が不充分であることが判明した。また、衝撃銃による衝撃圧縮凍結法では、透明非晶質ダイヤモンドと透明ナノ組織ダイヤモンドの存在が明らかとなり、両者の作り分けのためには、衝撃圧縮状態の一層精密な制御が必要であることが分かった。
以上のように、本研究は所期の目的をほぼ達成することができたといえ、炭素新相探索の方法論が確立された。

フラーレン / アーク放電 / 生成機構 / 対流 / HPLC / 温度計測 / 炭素 / 生成

アーク放電法やレーザー蒸発法によってフラーレン(C_<60>やC_<70>のように炭素原紙が5員環と6員環とで閉じた中空殻状の分子)の量的な生成が可能となってきているが、その手法はいわば偶然に発見されたものであり、その生成機構には依然として未知の部分が多い.そこで,アーク放電法による生成実験装置を用いて,フラーレンの生成条件を検討した.具体的には,一定雰囲気ガス中で炭素棒間でアーク放電加熱をすることによってフラーレンを生成する.実験装置で回収したフラーレンをトルエンを用いたソックスレ-抽出によりススと分離し,その質量から生成率を求めた.さらに,高速液体クロマトグラフィー(HPLC)によって,C_<60>,C_<70>,C_<76>等の分離を行い,それぞれの成分比を求めた.一連の実験の結果,生成容器内のススの回収場所によって生成率が異なり,容器の上方で生成率が高くなる場合が多いことが分かった.この結果より,生成容器内でのアーク放電加熱による自然対流によってフラーレンの生成率が強く影響されると示唆される.さらに,自然対流に加えて一定流量の不活性ガス流を与えることによってフラーレン生成率が容器内でどのように変化するかを測定した.その結果,生成率の容器内分布は一様化される傾向があり,極端に全体の生成率を向上させることはできなかった.また,加えたガス流によって生成率の圧力依存性がかなり異なることが明らかとなり,フラーレン生成がアーク近傍の局所的な条件のみならずマクロな対流伝熱によって強く影響を受けることが明らかとなった.容器内の温度測定の結果によれば,アーク中心から4〜5cm程度離れた部分での温度とフラーレン生成率とが強い相関を示しており,炭素クラスターが600〜700℃程度まで冷却されたところでの雰囲気状態がフラーレンの生成と深く関わっていることが示唆された.

フラーレン / 生成機構 / アーク放電 / 温度計測 / 温度履歴 / HPLC / 生成 / 炭素

炭素原子60個がちょうどサッカーボールの形状に結合した分子C_<60'>,さらに炭素原子が60個以上の場合にも中空殻状の分子C_<70>やC_<76>が非常に安定であり,比較的簡単に量的な生成ができることが分かっており,これらの分子を総称してフラーレンと呼ぶ.フラーレンの量的生成方法はいわば偶然に発見されたものであり,その生成機構には依然として未知の部分が多い.そこで,アーク放電法による生成実験装置を製作して,フラーレンの生成条件を検討した.具体的には,一定雰囲気ガス中で炭素棒間でアーク放電加熱をすると一旦炭素原子が蒸発し,その凝縮過程でフラーレンが生成される.実験装置で回収したフラーレンをトルエンを用いたソックスレ-抽出によりススと分離し,その質量から収率を求めた.さらに,高速液体クロマトグラフィー(HPLC)によって,C_<60'>,C_<70'>,C_<76>等の分離を行い,それぞれの成分比を求めた.一連の生成実験によって,フラーレンの生成率に対する緩衝ガスの種類・圧力・流れ,放電電流,炭素棒の種類・寸法などの影響に関する基礎データを得た.この結果,緩衝ガスとしてヘリウムを用いてその圧力をおよそ550Torrとした場合に最もフラーレンの収率が高く,集めたススの17%程度となることが分かった.また,特に緩衝ガスのフラーレン生成に対する影響に着目して,熱電対によるチャンバー内の温度変化,HPLCを用いたチャンバー内の場所によるフラーレン収率の分布などの結果を得た.アーク放電法を用いた場合にフラーレンの収率がチャンバー内に分布を持つこと,さらにこの分布が緩衝ガスの圧力や流れに強く依存することなどから,この分布が緩衝ガスの自然対流及び強制対流の様相と強く関連していることが示唆された.

【研究分担者】
八木寿子 (平井寿子)	Tokyo Institute of Technology, Materials and Structures Laboratory, Research Aso	(Kakenデータベース)