| 研究課題/領域番号 |
15K13594
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| 研究機関 | 愛媛大学 |
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研究代表者 |
境 毅 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 講師 (90451616)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | ２段式ダイヤモンドアンビルセル / 集束イオンビーム加工装置 / マルチメガバール / 圧力スケール / 状態方程式 / ナノ多結晶ダイヤモンド(NPD) / 超高圧発生 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、既存の静的高圧発生技術では未踏の500万気圧（=500 GPa）を超える圧力を発生する技術を開発・確立し、超高圧物理学および惑星内部科学の発展に寄与することを目的として、従来のダイヤモンドアンビルセル（以下DAC）に、ミクロンサイズの2段目アンビル（マイクロアンビル）を配置した2段加圧方式による圧力発生技術の開発を行った。
2段式DACにおいては、マイクロアンビルの素材の選択が重要となる。これまで単結晶ダイヤモンドを用いて300 GPaを超える圧力発生が可能となっているが、それ以上の圧力発生は難しいのが現状であった。そこで、破壊靭性等において単結晶ダイヤモンドより優れる、非常に細粒な結晶（10 nm以下）の集合体であるナノ多結晶ダイヤモンド(NPD)を愛媛大学の大容量プレスを用いて新たに合成し、マイクロアンビルの素材として用いた。マイクロアンビルは、集束イオンビーム加工装置により作成した。試料は先端径3 μmの2つのマイクロアンビルによって挟まれ加圧される。このマイクロアンビルをDAC内に封入することによって、1段目のDACで発生した封圧環境下においてマイクロアンビル自体の強度を向上させることができる。発生圧力については、大型放射光施設SPring-8 BL10XUにおいて粉末X線回折実験を行い、試料の格子体積から評価した。その結果、NPDマイクロアンビルによりこれまでで最高の420 GPaまでの圧力発生を確認することができた。一方で、試料から得られたX線回折パターンはマイクロアンビル先端部分での大きな圧力勾配の存在を示しており、圧力分布の評価が必要であることを示している。また同時に圧力そのものの絶対値についても、圧力スケールによって400 GPaから600 GPaまでの違いがあり、この圧力領域での信頼性ある圧力スケールの構築が必要となっている。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
昨年度の実験の結果を踏まえて、マイクロアンビルの形状（アスペクト比）を一定程度に保ちつつ、素材を特に細粒な結晶子サイズを持つナノ多結晶ダイヤモンドに変更することで420 GPaまでの圧力発生が可能となった。結晶子サイズがシングルナノ(<10 nm)以下になると、材料強度（ヌープ硬度）としては低下するという報告が既にある(Sumiya and Irifune, 2007)が、圧力発生においては「硬い」ことのみならず、「割れにくい」ことも要求される。一方で、ナノ多結晶ダイヤモンドの体積弾性率や圧縮挙動は2段式DACの先行研究(Dubrovinsky et al. 2012; Dubrovinskaia et al. 2016)とは矛盾する結果を示しており、これらに関する評価は引き続き行う予定である。
試料に関しては、レニウム試料を軸として、複数試料（レニウムと白金）の同時測定も行った。先行研究であるAnzellini et al. (2014)とDubrovinsky et al. (2012)の間ではレニウムの状態方程式に関して大きな不一致がみられており、不一致の原因は一軸応力の効果であるとされていた。しかし我々の2段式DACの実験結果は、室温下での直接加圧であるにもかかわらず、レニウムの状態方程式と白金の状態方程式でそれほど大きな不一致は見られず、かつAnzellini et al. (2014)と整合的な結果が得られた。これにより先行研究間の矛盾が必ずしも一軸応力の効果だけでは説明できないことを明らかにした。
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| 今後の研究の推進方策 |
マイクロアンビルの素材および形状の最適化に関しては、解に近づきつつある。今後、封圧を向上することでさらなる高圧力の発生を目指す。一方で、大きな圧力勾配の影響によるX線回折ピークのブロードニングが発生圧力の評価を困難にしている問題があるため、X線回折を生じないアモルファス上の物質をガスケット材に用いて、試料を中心のみに配置することで、圧力勾配の影響を軽減した明瞭なX線回折ピークを得ることを目指す。圧力勾配の影響が軽減されたシグナルが得られれば、PtやAuなどの圧力スケール物質を用いた複数物質の同時体積測定を行うことで数100 GPaから400 GPa超の領域での状態方程式（圧力スケール）を確立することができる。
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