衝撃圧縮による金属化ダイヤモンドのナノ秒生成

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21J10604
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 片桐 健登 大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)
• 研究期間 (年度): 2021-04-28 – 2023-03-31
• キーワード: ダイヤモンド / 超高圧 / 衝撃圧縮 / X線自由電子レーザー / 相転移 / 炭素 / 金属化 / 超高速変形

研究実績の概要

高強度レーザー誘起の衝撃圧縮法を用いて金属化ダイヤモンドの生成を行った。ダイヤモンド試料に1,000 GPa(万気圧)を超える高圧力を印加することで金属化させ、光学特性の衝撃圧力依存性を可視光プローブレーザーを用いて計測した。また、ナノメートルサイズの極めて小さな結晶子により構成されるナノ多結晶ダイヤモンドを試料に用いて、衝撃圧縮特性計測を行った。その結果、固体として振る舞う衝撃圧力域においてナノ多結晶ダイヤモンドは単結晶ダイヤモンドよりも高い強度と非圧縮性を示すことを明らかにした。これはナノメートルサイズの粒界において欠陥の伝搬が阻害されることで強度を保つ粒界強化が、衝撃圧縮による高歪み速度変形下において発現することを示している。一方でダイヤモンドが金属的に振る舞う超高圧力域においては、単結晶ダイヤモンドとナノ多結晶ダイヤモンドの衝撃圧縮特性に顕著な差は確認されなかった。これはダイヤモンドは金属的に振る舞う領域においては融解するため、固体領域で見られた結晶粒界の強度増幅効果が発生しないためだと考察される。さらにフェムト秒パルスの高輝度X線源であるX線自由電子レーザーSACLAを用いたX線回折計測法により、衝撃圧縮下のナノ多結晶ダイヤモンドの構造をその場観察した。その結果、0から700 GPaの広い衝撃圧力域においてダイヤモンドは構造相転移を示さないことを明らかにした。この結果は第一原理計算による予測と一致しており、また可視光プローブレーザーによる計測が示した800 GPa以下の圧力域でダイヤモンドは反射率を示さないという結果とも整合する。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

高強度レーザーによる衝撃圧縮法を用いた金属化ダイヤモンドのナノ秒生成に成功している。可視光プローブレーザーを用いた計測により衝撃圧縮下のナノ多結晶ダイヤモンドの反射率を評価したほか、自発光強度計測法を用いた融解温度と融解圧力のデータを決定し、単結晶ダイヤモンドの計測結果と比較した。また、X線自由電子レーザーSACLAを用いたX線回折計測法により、最大700 GPaまでの衝撃圧力下におけるナノ多結晶ダイヤモンドの構造計測を行った。さらにSACLAに常設されている<30 Jクラスのレーザーを用いて、ダイヤモンドの金属化に必要な1,000 GPa超の高圧力を負荷するため、低密度RFフォームによる圧力増幅の試験を行なった。RFフォームを衝撃圧縮実験のアブレーターとして用いることで、従来のプラスティックアブレーターに比べて76%の圧力増幅効果が得られることを明らかにした。以上の計測が実現できたことにより、当初の計画以上の進展が得られていると考えられる。

今後の研究の推進方策

今後は、これまでのダイヤモンドのその場X線回折計測実験における最大衝撃圧力である700 GPaを超えるような超高圧力におけるナノ多結晶ダイヤモンドの構造変化を、SACLAのX線自由電子レーザーを用いたその場X線回折計測法により明らかにする研究に取り組む。上述のRFフォームをアブレーターに用いることで76%の圧力増幅を達成すれば、SACLAの<30 Jクラスのレーザーにより最大1,200 GPaの超高圧力をダイヤモンド試料に印加できると予測される。これまでの可視光プローブレーザーを用いた計測結果から、ナノ多結晶ダイヤモンドは1,000 GPaを超える圧力域において構造変化を示す可能性が示唆されるため、このような超高圧力下におけるナノ多結晶ダイヤモンドの構造をその場X線回折計測により明らかにする。

備考

アウトリーチ活動の一環として個人的に設立した研究者webページです。

研究成果

• [雑誌論文] Hugoniot equation-of-state and structure of laser-shocked polyimide C22H10N2O5 (2022)
  • 著者名/発表者名: Katagiri K.、Ozaki N.、Murayama D.、Nonaka K.、Hironaka Y.、Inubushi Y.、Miyanishi K.、Nakamura H.、Okuchi T.、Sano T.、Seto Y.、Shigemori K.、Sueda K.、Togashi T.、Umeda Y.、Yabashi M.、Yabuuchi T.、Kodama R.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 105 ページ: 1~8
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.105.054103
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hugoniot and released state of calcite above 200 GPa with implications for hypervelocity planetary impacts (2022)
  • 著者名/発表者名: Umeda Yuhei、Fukui Keiya、Sekine Toshimori、Guarguaglini Marco、Benuzzi-Mounaix Alessandra、Kamimura Nobuki、Katagiri Kento、Kodama Ryosuke、Matsuoka Takeshi、Miyanishi Kohei、Ravasio Alessandra、Sano Takayoshi、Ozaki Norimasa
  • 雑誌名: Icarus 巻: 377 ページ: 114901～114901
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2022.114901
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Shock Hugoniot Data for Water up to 5 Mbar Obtained with Quartz Standard at High-Energy Laser Facilities (2021)
  • 著者名/発表者名: Mancelli D.、Errea I.、Tentori A.、Turianska O.、Larreur H.、Katagiri K.、Ozaki N.、Kamimura N.、Kamibayashi D.、Ishida K.、Ogura H.、Kawasaki K.、Maeda Y.、Hironaka Y.、Shigemori K.、Batani K.、Schaumann G.、Rosmej O.、Neumayer P.、Zielbauer B.、Martynenko A. S.、Filippov E. D.、Pikuz S.、Batani D.
  • 雑誌名: Laser and Particle Beams 巻: 2021 ページ: 1～10
  • DOI: 10.1155/2021/4141522
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Pressure amplification effect of using resorcinol/formaldehyde foam ablators in laser-shock experiments (2021)
  • 著者名/発表者名: Katagiri Kento、Ozaki Norimasa、Yamanoi Kohei、Sano Takayoshi、Kodama Ryosuke
  • 雑誌名: Physics of Plasmas 巻: 28 ページ: 072705～072705
  • DOI: 10.1063/5.0048651
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ultrafast olivine-ringwoodite transformation during shock compression (2021)
  • 著者名/発表者名: Okuchi T.、Seto Y.、Tomioka N.、Matsuoka T.、Albertazzi B.、Hartley N. J.、Inubushi Y.、Katagiri K.、Kodama R.、Pikuz T. A.、Purevjav N.、Miyanishi K.、Sato T.、Sekine T.、Sueda K.、Tanaka K. A.、Tange Y.、Togashi T.、Umeda Y.、Yabuuchi T.、Yabashi M.、Ozaki N.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 ページ: 1～8
  • DOI: 10.1038/s41467-021-24633-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Micron-scale phenomena observed in a turbulent laser-produced plasma (2021)
  • 著者名/発表者名: Rigon G.、Albertazzi B.、Pikuz T.、Mabey P.、Bouffetier V.、Ozaki N.、Vinci T.、Barbato F.、Falize E.、Inubushi Y.、Kamimura N.、Katagiri K.、Makarov S.、Manuel M. J.-E.、Miyanishi K.、Pikuz S.、Poujade O.、Sueda K.、Togashi T.、Umeda Y.、Yabashi M.、Yabuuchi T.、Gregori G.、Kodama R.、Casner A.、Koenig M.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 ページ: 1～9
  • DOI: 10.1038/s41467-021-22891-w
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] X-ray radiography based on the phase-contrast imaging with using LiF detector (2021)
  • 著者名/発表者名: Makarov S S、Pikuz T A、Buzmakov A V、Chernyaev A P、Mabey P、Vinci T、Rigon G、Albertazzi B、Casner A、Bouffetier V、Kodama R、Katagiri K、Kamimura N、Umeda Y、Ozaki N、Falize E、Poujade O、Togashi T、Yabashi M、Yabuuchi T、Inubushi Y、Miyanishi K、Sueda K、Manuel M、Gregori G、Koenig M、Pikuz S A
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 1787 ページ: 012027～012027
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1787/1/012027
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Liquid Structure of Tantalum under Internal Negative Pressure (2021)
  • 著者名/発表者名: Katagiri K.、Ozaki N.、Ohmura S.、Albertazzi B.、Hironaka Y.、Inubushi Y.、Ishida K.、Koenig M.、Miyanishi K.、Nakamura H.、Nishikino M.、Okuchi T.、Sato T.、Seto Y.、Shigemori K.、Sueda K.、Tange Y.、Togashi T.、Umeda Y.、Yabashi M.、Yabuuchi T.、Kodama R.
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 126 ページ: 1～6
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.175503
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] In situ X-ray Diffraction of Shock-Compressed Nanopolycrystalline Diamond (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Katagiri, N. Ozaki, L. Dresselhaus-Marais, J. Eggert, Y. Inubushi, T. Irifune, M. Koenig, T. Matsuoka, K. Miyanishi, H. Nakamura, N. Nishiyama, T. Sekine, Y. Seto, K. Sueda, Y. Tange, T. Togashi, Y. Umeda, M. Yabashi, T. Yabuuchi, and R. Kodama
  • 学会等名: APS March Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Liquid structure of tantalum under internal negative pressure observed by in-situ X-ray diffraction (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Katagiri
  • 学会等名: Matter in Extreme Conditions from MATerial science to PLAnetary physics
  • 国際学会
• [学会発表] Laser-shock compression of full density nano-polycrystalline diamond (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Katagiri, N. Ozaki, Y. Umeda, T. Irifune, N. Kamimura, K. Miyanishi, T. Sano, T. Sekine, and R. Kodama
  • 学会等名: 5th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
  • 国際学会
• [学会発表] 多結晶タンタルの衝撃圧縮および解放状態における液体構造の観察 (2021)
  • 著者名/発表者名: 片桐健登
  • 学会等名: 第62回高圧討論会
• [学会発表] X 線自由電子レーザーによるナノ多結晶ダイヤモンド 超高速変形のその場観察 (2021)
  • 著者名/発表者名: 片桐健登，尾崎典雅，L. Dresselhaus-Marais，J. Eggert, 犬伏雄一，松岡健之，宮西宏併, 西山宣正，末田敬一, 関根利守，瀬戸雄介，丹下慶範，入舩徹男，富樫格，梅田悠平，矢橋牧名，籔内俊毅，兒玉了祐
  • 学会等名: 第62回高圧討論会
• [学会発表] Measurement of Hugoniot elastic limit of nano-polycrystalline diamond (NPD) (2021)
  • 著者名/発表者名: 片桐健登，尾崎典雅, 佐野孝好, 兒玉了祐
  • 学会等名: 光・量子ビーム科学合同シンポジウム OPTO2021
• [備考] Kento Katagiri
  • URL: https://sites.google.com/view/kentokatagiri/publications