ダイヤモンドは炭素で出来ている？構造や人工ダイヤの作り方

2020.06.17

宝石・ジュエリー

数十億年前に地球内部で誕生したダイヤモンドは、単一の炭素原子のみで形成されている唯一の宝石です。

炭と同じ炭素原子でできているために、興味深いいくつかの特徴も持ちます。

また近年では科学技術によって人工的にダイヤモンドを作り出すことも可能になりました。

今回は不思議な魅力に溢れたダイヤモンドの構造や特徴、人工ダイヤモンドの作り方をご紹介していきます。

炭素でできているって本当？ダイヤモンドの構造

ダイヤモンドと鉛筆の構造や特徴の違い
天然ダイヤモンドのでき方とは

ダイヤモンドの燃える特徴
人工ダイヤモンドを作る方法

炭素原子から作られる「化学気相成長法」
高温と高圧によって作られる「高温高圧法」
骨からダイヤモンドを作る方法
まとめ

炭素でできているって本当？ダイヤモンドの構造

本当です。

ダイヤモンドは単一の炭素原子のみで形成された石で、化学式で表す際も「C」の一文字です。

サファイアやルビーなど他の宝石が4種類の元素で形成されているのと比べて、ダイヤモンドは「ダイヤモンドの結晶構造」と呼ばれる、炭素原子同士が強固に結合したとても特殊な構造をしています。

化学用語では「共有結合」といわれる原子間での電子対の共有を伴う化学結合で、結び付きが非常に強い特徴があります。

「ダイヤモンドは地球上で最も硬い」といわれる所以は、この非常に強い炭素原子の結晶構造によるものなのです。

また天然ダイヤモンドは密度の高い特殊な炭素構造から成り立っており、通常99.95%の炭素からできているといわれています。

残りの0.05%には微量のその他の元素を含んでいることもあり、この元素によってはダイヤモンドの色や形状などに影響を与えることもあります。

ダイヤモンドの中には「ファンシカラーダイヤモンド」と呼ばれるさまざまな色をしたダイヤモンドが稀に発見されます。

ダイヤモンドと鉛筆の構造や特徴の違い

鉛筆は、ダイヤモンドと同じく炭素原子のみで形成されています。

非常に硬いダイヤモンドに比べ、鉛筆の芯はとても柔らかいのですが、この違いは一体なぜ生まれるのでしょう。

その理由は、炭素原子の構造や配列に異なる点があるからです。図をご覧いただいてもわかるように、ダイヤモンドは3次元の結晶構造をしているのに対して、鉛筆（Graphite）結晶構造がシート状です。

炭素原子の結びつきが強く高い硬度が特徴のダイヤモンドに比べて、鉛筆の芯は炭素原子の縦の結びつきが弱く、力を加えると離れてしまいます。

鉛筆を紙に押し当てると字が書くことができるのは、この特徴によるものです。

天然ダイヤモンドのでき方とは

ダイヤモンドは遥か昔、地球の内部で誕生しました。具体的な誕生時期についてはおよそ30億年前という説や生命誕生よりも前に生まれていたなどという説があります。

炭素原子の集合体を含んだ岩石が高温で溶けると炭素原子が出てくるのですが、これが高温で高い圧力がかかる環境で炭素が強く結びつき、ダイヤモンドの結晶が形成されます。

天然のダイヤモンドが生まれたのは地球の深部で、地下150kmとも200kmともいわれています。

現代の技術ではそこまで掘ることは到底不可能ですので、世の中に流通しているダイヤモンドは、地球の火山活動によって人間の手が届く地表の近くに押しあげられたものです。

噴火活動によって勢いよく噴き出したマグマが冷えて固まると、キンバーライト（キンバリー岩）と呼ばれる岩石になります。

ダイヤモンドの原石は、このキンバーライトの中からごく稀に見つかります。そのため、天然ダイヤモンドの採掘は、かつてマグマが通った道を掘り進むように行われるのです。

さらに、ダイヤモンドが採掘されるのは、古い地質が残っている場所に限られています。

日本は火山の多い国ですが、地層が比較的新しいため、残念ながらダイヤモンドを採ることはできません。

主な産出国は、ロシア、ボツワナ、コンゴ共和国、オーストラリアなどです。

地球の奥深くに眠るダイヤモンドが噴火によって地表に現れる確率、さらにそれを人間が見つけて手に取ることができる確率を考えると、天然ダイヤモンドとの出会いは「奇跡」といっても過言ではないでしょう。

ダイヤモンドの原石と採掘方法について詳しく知りたい方はこちらの記事もご覧ください。

関連記事：ダイヤモンドの原石は地球からの預かり物｜採掘方法と種類

ダイヤモンドの燃える特徴

ダイヤモンドはこの世で最も硬いといわれるほどの硬度を持っていますが、実はダイヤモンドは燃やすことができます。

ダイヤの原料は炭と同じ炭素のため、800度以上の高温で燃やすと発火し、最終的には炭化して二酸化炭素へと姿を変えてしまいます。

どんなに硬いダイヤでも、炭素でできているという性質上、高温の炎には太刀打ちできないようです。

ちなみに耐熱性の高い宝石としてはサファイアが挙げられ、2000度程度の熱に耐えられるとされています。耐熱素材としてサファイアガラスのような工業材料にも用いられています。

人工ダイヤモンドを作る方法

かつては市場に出回っているダイヤは天然ものが一般的でしたが、最近では技術が発展し、人工ダイヤモンドの割合も増えてきました。

人工ダイヤの製造については、1950年代にようやく地上でダイヤモンドの結晶化を行う技術が確立されたといわれています。当初は綺麗なダイヤモンドの生産が難しく、一般に出回る人工ダイヤの用途の多くはドリルの先端やノコギリの歯など、工業用がメインとなっていました。

近年では人工ダイヤの製造技術の発展は著しく、遺骨からダイヤを製造するという手法まで確立されています。

2018年にダイヤモンド業界を牛耳るデビアス社が、人工ダイヤモンドのブランド「Lightbox」を立ち上げた際は、大きな話題を呼びました。

とはいえ宝石品質のダイヤを作る製造方法はいまだ限られていて、現在では下記2種類の方法によって宝飾用ダイヤの製造を行っています。

炭素原子から作られる「化学気相成長法」

CVD法（Chemical Vapor Deposition）または「化学気相成長法」などと呼ばれる方法です。高温低圧下で炭素を主成分とするガスからダイヤを作り出す技術です。

原料の物質をガスの状態にして、それを固体の表面で反応させて膜を作ります。

この方法で使われる材料は、メタンなど炭素を多く含んでいる気体です。メタンを炭素と水素に分解し、ダイヤモンドの種結晶に付着させて平板状の人工ダイヤモンド結晶を作ります。

宝石品質のダイヤを作り出すには、CVD法の中でも「マイクロ波プラズマ法」を用いるのが一般的とされています。

高圧力を必要としないのが最大のメリットです。

高温と高圧によって作られる「高温高圧法」

HPHT法（High Pressure High Temperature）または「高温高圧法」と呼ばれる方法です。

天然のダイヤが地球深部で形成される際の高温高圧の環境を、人工的に再現したものです。

非常に高い温度と圧力を加えて炭素物質をダイヤの結晶へ変化させ、そこからさらに「温度差法」という技術を用いることで、ようやく宝石品質のダイヤモンドを作り出すことができます。

人工ダイヤモンド開発の初期から用いられてきました。

通常は黒鉛を原料にし、鉄やコバルトなどの金属を溶媒に用いて結晶を作ります。コストが安く、大量生産に向いている作り方です。

骨からダイヤモンドを作る方法

近年になって注目を集めているのが、骨から作るダイヤモンドです。

亡くなった人を火葬したのちに拾う遺骨を使ってダイヤモンドを作り出し、普段から身に着けられるジュエリーにするというのは、新しい弔いの形だといえます。

この場合も、炭素から作ることに変わりはありません。遺骨に含まれる炭素を抽出し、高温高圧法にて原石を生成します。それを注文に応じて職人が研磨・カットし、ジュエリーに加工します。

費用は数十万円からと決して安くはありませんが、お墓を持たないライフスタイルと相性がよく、今後ニーズが高まっていく可能性を秘めているといえるでしょう。

まとめ

今回ご紹介したように、ダイヤモンドは他の宝石にはない独特な構造や特徴を持った石で、知れば知るほど奥が深い宝石です。

「奇跡の石」ともいわれるダイヤモンドへの知識を深めていくことで、今まで知らなかったダイヤの未知なる魅力に触れることができるかもしれません。

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