TANOKAGA! ~たのしい科学~

教科書では語られない科学ネタの紹介・解説を中心とした、学生向けのブログ

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diamond.jpg

自然界でもっとも硬い物質はなぁに? と聞かれると、多くの人は「ダイヤモンド!」と答えます。それはそれで正解です。
しかし実は、ダイヤモンドよりも硬い(と思われる)物質が既に発見されているのです。人工物ではありません。天然の物質で、です。

ダイヤモンドの上を行く硬さを持つ物質の正体とは何か? そもそも「硬さ」の定義とは何なのか? 今回はこのあたりを解説していきます。
続きは以下から。
そもそもダイヤモンドとは、炭素の同素体の一種です。
同素体とは、「同じ元素からできている単体で、性質の異なる物質」のことで、炭素の同素体はダイヤモンドの他に、黒鉛(グラファイト),グラフェン,フラーレンなどがあります。
これらはすべて炭素原子のみで作られています。材料は炭素原子ただひとつなのに、なぜ名前も性質も異なる物質がつくられるのかということですが、これは、原子の結合の仕方や結合原子数が異なっていることに起因しています。

有名な同素体としては他に、硫黄S,酸素O,リンPなどがあります。
例えば酸素の同素体には、酸素O2とオゾンO3がありますが、これは酸素原子の個数が違うケースです。一方で、硫黄の同素体は、硫黄原子が輪っか状に結合しているか、一直線に連なっているかで、色も性質も異なってきます。おもしろいですね。
ちなみにリンの同素体については、以前記事を書きました。そちらもぜひ読んでみてください。

さて、炭素の同素体の中でもダイヤモンドは、炭素原子同士がとても理想的に結合していることが特徴です。1つの炭素原子には、4つの炭素原子がバランスよくがっちりと結合しており、それが無限に続いています。(このような構造をした物質を「共有結晶」または「共有結合結晶」と言います。)
ダイヤモンドの硬さは、この理想的な結合・構造に由来しているのです。
つまり、原則的に、理想的な結合が連なっている物質は、硬いと言えるようです。

では、ここで言う「硬い」とはどういう意味なのでしょうか。ここが、多くの人が勘違いをしているところです。

ここで出てくる「硬さ」とは、「モース硬度」と呼ばれている尺度です。
簡単に定義をいってしまうと、「どれだけ ひっかき に強いか」を数値で表したもので、1から10まであり、数値が大きいほどひっかきに強いことを意味します。
この数値は計算によって求めるものではなく、実に単純な方法で決められます。
例えば、とある物質を硬さ8の石でひっかくと傷がつくが、硬さ6の石でひっかいても傷がつかなかった場合、この物質の硬さは6から8の間(7くらい?)とする、ただこれだけなのです。
ダイヤモンドの硬さは10。ダントツのトップです。つまり、どんな石やナイフを使っても傷をつけることができないのです。ダイヤモンドに傷をつけることができる物質はただひとつ、同じダイヤモンドのみです。

では、ダイヤモンドをハンマーで思い切り叩いてみましょう。硬さ10の物質なのですから砕けるはずがありませんよね?

・・・ですが!

いともたやすく砕け散ってしまいます。(もったいないので実際にやらないようにしましょう。)
おかしいですね。もっとも硬い物質なのに。

実は、前述のようにダイヤモンドは「もっともひっかきに強い物質」ではありますが、「叩いて壊れにくい物質」ではないのです。ここが勘違いポイント。
「叩いて壊れにくいか」は、まったく別の尺度で表し、「靭度(じんど)」などという概念で表します。「硬度」とは別ものです。叩いてもぐにゃっと変形して壊れない物質は靭度が高い、と言います。

仮にゲームなどで「ダイヤモンドの盾」なんてものが登場しても、実際はあっさり破壊できるのですな。

では、硬さの定義が分かったところでようやく本題に移りましょう。

ダイヤモンドよりも硬い物質・・・それは、
ロンズデーライトという鉱物です。

ロンズデーライトも炭素の同素体です。つまり、炭素原子のみからなる物質です。
構造はダイヤモンドとよく似ているのですが、結合の向きが若干異なるようです。

このロンズデーライト、ダイヤモンドより58%硬いと予想されています。
予想? 実際にひっかき合わせて調べていないのでしょうか。

実はこの結果、計算上の数値なのです。
ロンズデーライトを実際に実験に使用することはたいへん困難であるといいます。

理由としては、
  1. 隕石衝突痕など、ごく限られた場所に微量にしか存在しない。
  2. ダイヤモンドと違いとても不安定な物質で、大きな結晶が作れない。
  3. 天然に存在するロンズデーライトには不純物が多く含まれているせいで、全然硬くない。
などが挙げられます。これでは仕方ないですね。

ですので、実験で確かめられている中では、ダイヤモンドがもっとも硬い物質であるという事実は変わりません。将来、純粋なロンズデーライトが作られて実験によって証明されれば、「ダイヤモンドよりも硬い物質!」ということで、ロンズデーライトが教科書に載るときが来るかも知れませんね。
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