(57)【要約】【課題】生産可能性があるような整然とした結晶構造の炭素族同素体を提示し、その生産の可能性を示すこと。【解決手段】立方体の中心に原子核が存在し、該立方体の８つの頂点に自由電子が存在し、該８つの自由電子をそれぞれ別々の８つの他の原子核と共有している炭素族同素体である。特に、立方体の１辺の長さを座標単位とする３次元空間の直交座標系において、原子核が、そのｘ座標、ｙ座標及びｚ座標が全て偶数又は全て奇数の格子点に存在するものは、極めて整然とした結晶構造となる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
立方体の中心に原子核が存在し、
該立方体の８つの頂点に自由電子が存在し、
該８つの自由電子をそれぞれ別々の８つの他の原子核と共有していることを特徴とする、炭素族同素体。
【請求項２】
前記立方体の１辺の長さが、原子の単結合における共有結合半径のおよそ１．１６倍であり、
前記立方体の１辺の長さを座標単位とする３次元空間の直交座標系において、前記原子核が、そのｘ座標、ｙ座標及びｚ座標が全て偶数又は全て奇数の格子点に存在することを特徴とする、請求項１に記載の炭素族同素体。
【請求項３】
炭素同素体であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の炭素族同素体。
【請求項４】
ダイヤモンドに高圧を加えて生産されたものであることを特徴とする、請求項３に記載の炭素同素体。
【請求項５】
珪素同素体又はゲルマニウム同素体であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の炭素族同素体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素族の同素体、特にダイヤモンドよりも硬質の炭素同素体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高硬度の物質には種々の用途がある。このため、高硬度の物質を生成する研究が継続的になされている。例えば、特許文献１には高硬度のダイヤモンドライクカーボンを生成する方法が開示されている。
炭素族同素体の硬度は、その結晶構造に大きく依存する。高硬度の物質としてダイヤモンドが有名であるが、ダイヤモンドは一つの原子核を中心とする正四面体の４つの頂点の位置に他の原子核があり、中心の原子核とこれら４つの他の原子核との共有結合によって形成される結晶構造によって高硬度となっている。
【０００３】
理論上は、ダイヤモンドよりも高硬度の炭素同素体が存在する。六方晶系の結晶構造を持つ炭素同素体のロンズデーライトは、ダイヤモンドよりも高硬度であるとの予測がされている。ロンズデーライトは、隕石の中及び火山の爆発地から発見されている。生産にかかる設備費用は莫大になってしまうが、グラファイトに高熱と高圧とを加えて生産できる可能性がある。
しかし、六方晶系の結晶構造を生成することは容易でない。高熱と高圧とを加えることによって偶然に六方晶系の結晶構造が生成される確率は小さい。より整然とした結晶構造の炭素族同素体が存在すれば、加える圧力に依存して自然にその結晶構造となる可能性もあり、生産可能性が高くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２２５９９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
解決しようとする課題は、整然とした結晶構造の炭素族同素体を提示し、その生産の可能性を示すことである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の炭素族同素体は、
立方体の中心に原子核が存在し、
該立方体の８つの頂点に自由電子が存在し、
該８つの自由電子をそれぞれ別々の８つの他の原子核と共有していることを特徴とする。
炭素族原子には、４つの自由電子が存在する。したがって、ダイヤモンドのように、１つの原子が他の４つの原子と共有結合するものでは、各々の結合において共有される電子の数は２個となる。両方の原子から１個ずつの電子が共有結合に含まれるものとなるからである。これに対し、共有結合に係る電子を１個のみとすることが考えられる。１つの原子核から見ると、ダイヤモンドの場合と同様に合計８個の自由電子が共有結合に含まれるが、共有結合の相手となる他の原子は、４つでなく８つである。共有結合の相手となる他の原子の数が多いことにより高密度・高硬度となることが期待される。
【０００７】
本発明の炭素族同素体は、
前記立方体の１辺の長さが、原子の単結合における共有結合半径のおよそ１．１６倍であり、
前記立方体の１辺の長さを座標単位とする３次元空間の直交座標系において、前記原子核が、そのｘ座標、ｙ座標及びｚ座標が全て偶数又は全て奇数の格子点に存在することを特徴とする。
ここで「格子点」とは、ｘ座標、ｙ座標及びｚ座標の全てが整数（原点からのｘ方向、ｙ方向及びｚ方向の変位が全て座標単位の整数倍）であるような点を言う。
図１は、ダイヤモンドの結晶構造を示す図である。図において点線で示された立方体の中心Ｏに炭素原子核が存在する。この炭素原子と結合する４つの炭素原子は、立方体の４つの頂点Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤの方向に原子核が存在する。共有結合半径ｒは、２つの原子核の距離の２分の１であり、図においてＯＡで示される。ＯＡの長さ（ｒ）は立方体の１辺の長さｕに対し、
【数１】
2014001119.tif 000003
となる。ここから、
【数２】
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となり、立方体の１辺の長さは原子の単結合における共有結合半径のおよそ１．１６倍である。
図２は、本発明の炭素族同素体の結晶構造を示す図である。図１に示したダイヤモンドの結晶構造に対して、斜線を施した原子を追加したものである。斜線を施した原子は、立方体の頂点のうちダイヤモンドの結晶構造においては共有結合方向になかった４つの頂点を共有結合方向とするような原子である。これにより、本発明の炭素族同素体が、斜線を施した４つの原子が加わった分だけダイヤモンドよりも高密度であることがわかる。図において小さな円で示した立方体の頂点には、それぞれ１つの自由電子が存在する。
図３は、本発明の炭素族同素体の分子配置を示す図である。原子核を座標空間内に示した図である。図は、０≦ｘ≦４、０≦ｙ≦２、０≦ｚ≦２の範囲を示している。３次元座標系を２次元の図に表現しているため、図上の２次元の座標から３次元座標は確定しない。そこで、ｚ＝０の座標に存在する原子核を円形で、ｚ＝１の座標に存在する原子核を五角形で、ｚ＝２の座標に存在する原子核を四角形で示してｚ座標を明確にして３次元座標を示す。なお、ダイヤモンドにおいて存在しなかった分子に斜線を施した点は、図２と同様である。一つの原子核の座標を原点として、他の原子核がｘ座標、ｙ座標及びｚ座標が全て偶数又は全て奇数の格子点に存在する。図において、Ｐ（１，１，１）に存在する原子核は、Ｐとはｘ座標、ｙ座標及びｚ座標が全て１だけ離れた位置にある他の８つの原子核との間に共有結合を形成する。共有結合を実線で示す。Ｑ（３，１，１）に存在する原子核についても同様である。
図４は、本発明の炭素族同素体の分子配置を示す模式図である。本発明の炭素族同素体について、中心となる原子及びそれと共有結合する８つの原子の分子配置を表す模型を斜視図で示したものである。大きな球が原子核を、小さな球が自由電子を表す。図２及び図３に示した分子配置を直感的に表したものである。中心となる分子の原子核を黒色で、ダイヤモンドにおいても存在した分子の原子核を白色で、ダイヤモンドにおいて存在しなかった分子の原子核を斜線を施して表した点は、図２と同様である。図５は、本発明の炭素族同素体の分子配置を１方向から見た図である。図４においてＡで示した方向から見た図であり、図４を補完して中心にある原子核の周囲に８つの他の原子核が存在することを示すものである。図５では中心にある原子核及び８つの他の原子核のうちの手前側の４つが描かれている。なお、図５に表される原子核について、図４と同一の模様をつけ、２つの図の関係を明確にした。
【０００８】
本発明の炭素族同素体は、
炭素同素体、珪素同素体又はゲルマニウム同素体であることを特徴とする。
炭素同素体は上述のようにダイヤモンドよりも高密度、高硬度となる。珪素同素体又はゲルマニウム同素体についても、導電性を持ちつつ、高密度、高硬度となるので効果が期待される。
【０００９】
本発明の炭素同素体は、
ダイヤモンドに高圧を加えて生産されたものであることを特徴とする。整然とした結晶構造であるので、高圧を加えることによって出現する可能性は、ロンズデーライトよりも高いと考えられる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の炭素族同素体は、整然とした結晶構造のものであるので、加圧等による生産可能性が高い。特に炭素同素体については、ダイヤモンドに高圧を加えて生産できる可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、ダイヤモンドの結晶構造を示す図である。
【図２】図２は、本発明の炭素族同素体の結晶構造を示す図である。
【図３】図３は、本発明の炭素族同素体の分子配置を示す図である。
【図４】図４は、本発明の炭素族同素体の分子配置を示す模式図である。
【図５】図５は、本発明の炭素族同素体の分子配置を１方向から見た図である。
【産業上の利用可能性】
【００１２】
整然とした結晶構造の炭素族同素体であり、生産手法が確立されて高硬度の物質を必要とする産業において利用される可能性がある。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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