コランダム

コランダムは、鉄、チタン、バナジウム、クロムの痕跡を含む酸化アルミニウム（Al ₂ O ₃ ）の結晶形です。^{[ 3 ] [ 4 ]}これは造岩鉱物です。自然には透明な物質ですが、結晶構造中の遷移金属不純物の存在によってさまざまな色になることがあります。 ^{[ 7 ]}コランダムには、ルビーとサファイアという2つの主要な宝石の種類があります。ルビーはクロムの存在により赤色で、サファイアは存在する遷移金属の種類によってさまざまな色を示します。^{[ 7 ]}希少なサファイアの一種であるパパラチアサファイアはピンクオレンジ色です。

「コランダム」という名前は、タミル語・ドラヴィダ語のkurundam（ルビー・サファイア）（サンスクリット語ではkuruvinda）に由来する。^{[ 8 ] [ 9 ]}

コランダムは硬度が高いため（純粋なコランダムはモース硬度9.0と定義されている）、他のほとんどすべての鉱物を傷つけることができます。宝石としての価値はないコランダムの一種であるエメリーは、サンドペーパーや金属、プラスチック、木材の機械加工に使用される大型工具の研磨剤として一般的に使用されています。これは黒色の粒状のコランダムで、コランダムが磁鉄鉱、赤鉄鉱、またはヘルシナイトと密接に混ざり合っています。^{[ 6 ]}

コランダムは硬度が高いだけでなく、密度も4.02 g/cm ³ (251 lb/cu ft)と高く、低原子量の元素であるアルミニウムと酸素からなる透明な鉱物としては異例に高い値である。^{[ 10 ]}   

コランダムは、変成岩地帯の雲母片岩、片麻岩、および一部の大理石に鉱物として産出します。また、低シリカ火成閃長岩およびネフェリン閃長岩貫入岩にも産出します。その他の産出としては、超苦鉄質貫入岩に隣接する塊状、ランプロファイア岩脈に伴うもの、およびペグマタイト中の大きな結晶などがあります。^{[ 6 ]}コランダムは、その硬さと風化に対する耐性のため、河川や海岸の砂に砕屑鉱物としてよく見られます。 ^{[ 6 ]}記録されている最大のコランダム単結晶は、約65 cm × 40 cm × 40 cm (26インチ × 16インチ × 16インチ)の大きさで、152 kg (335ポンド)の重さでした。^{[ 11 ]}この記録はその後、特定の合成ブールによって破られています。^{[ 12 ]}            

研磨材用のコランダムは、ジンバブエ、パキスタン、アフガニスタン、ロシア、スリランカ、インドで採掘されています。歴史的には、米国ノースカロライナ州のダナイトに関連する鉱床や、オンタリオ州クレイグモントのネフェリン閃長岩から採掘されていました。^{[ 6 ]}エメリーグレードのコランダムは、ギリシャのナクソス島と米国ニューヨーク州ピークスキル近郊で見つかります。研磨用コランダムは、ボーキサイトから合成的に製造されます。^{[ 6 ]}

中国では、良渚文化と三星村文化（後者は金壇区 に位置する）の紀元前2500年に遡る4つのコランダム製の斧が発見されている。 ^{[ 13 ] [ 14 ]}

• 1837年、マルク・アントワーヌ・ゴーダンは、アルミナを高温で少量のクロムを着色剤として反応させることにより、最初の合成ルビーを作った。^{[ 15 ]}
• 1847年、J.  J. Ebelmenはアルミナをホウ酸と反応させることで白色の合成サファイアを製造した。
• 1877年、フレニックとフレイルは結晶コランダムを製造し、そこから小さな石を切り出すことができた。フリミーとオーギュスト・ヴェルヌイユは、BaF₂とAl_を融解させることで人工ルビーを製造した。₂ O₃ 2,000°C (3,630°F)以上の温度で少量のクロムを含む。  
• 1903年、ヴェルヌイユはこの火炎溶融法を用いて商業規模で合成ルビーを生産できると発表した。^{[ 16 ]}

火炎溶融法では、天然で通常見られるよりもはるかに大きなサイズの、欠陥のない単結晶サファイアやルビーの宝石を製造することができます。また、フラックス法や水熱合成法によって宝石品質の合成コランダムを成長させることも可能です。コランダム合成に関わる方法は単純なため、これらの結晶は天然石の数分の一の価格で大量に市場に出回るようになりました。^{[ 17 ]}

合成コランダムは、破壊的な採掘を避け、資源を節約することで、天然コランダムよりも環境への影響が少ない。^{[ 18 ] [ 19 ]}しかし、その製造はエネルギー集約型であり、化石燃料を使用すると炭素排出につながり、リスクをもたらす可能性のある化学物質も含まれる。^{[ 20 ]}

装飾用途以外にも、合成コランダムは機械部品（チューブ、ロッド、ベアリング、その他の機械加工部品）、傷に強い光学部品、傷に強い時計の風防、衛星や宇宙船の計器窓（紫外線から赤外線領域での透明性のため）、レーザー部品の製造にも使用されています。例えば、KAGRA重力波検出器の主鏡は23kg（50ポンド）のサファイア製で[ 21 ]、^{Advanced LIGOでは}40kg （88ポンド）のサファイア製ミラーが検討されています^{[ 22 ]} 。コランダムは、その高い硬度のおかげでセラミック装甲の開発にも使用されています^{[ 23 ] 。}    

コランダムは空間群R3cで三方晶系対称性で結晶化し、標準状態では格子定数a = 4.75 Å、c = 12.982 Åである。単位格子には6つの組成式単位が含まれる。^{[ 4 ] [ 24 ]}

コランダムの靭性は表面粗さ^{[ 25 ] [ 26 ]と結晶方位[ 27 ]}に敏感である。合成結晶では6～7  MPa·m ^{1/2 [ 27 ]}、天然では約4  MPa·m ^{1/2 [ 28 ]}である。

コランダムの格子では、酸素原子はわずかに歪んだ六方最密充填構造を形成し、酸素イオン間の八面体サイトの3分の2がアルミニウムイオンによって占められています。^{[ 29 ]} 3つのサイトのうち1つにアルミニウムイオンがないと、六方最密充填構造の対称性が破れ、空間群の対称性がR3cに、結晶クラスが三方晶系に低下します。[ 30 ^{]コランダムの}構造は、擬六方構造として記述されることもあります。^{[ 31 ]}

コランダム（サファイア）のヤング率は、さまざまな情報源から300～500 GPaの値が報告されていますが、計算によく使われる値は345 GPaです。^{[ 32 ]}ヤング率は温度に依存し、[0001]方向では323 Kで435 GPa、1,273 Kで386 GPaと報告されています。^{[ 32 ]}コランダムのせん断弾性率は145 GPa、^{[ 33 ]}体積弾性率は240 GPaです。^{[ 33 ]}

単結晶コランダム繊維は高温複合材料への応用が期待されており、ヤング率は繊維軸に沿った結晶方位に大きく依存する。繊維は結晶c軸[0001]が繊維軸と一致する場合に最大461 GPaの弾性率を示し、c軸から45°離れた方向が繊維軸と一致する場合に最小弾性率約373 GPaを示す。^{[ 34 ]}

^{1 ～} 2 N の低荷重で圧痕測定されたコランダムの硬度は、^主要な結晶面 (0001) (基底面)、(10 1 0) (菱面体面)、(11 2 0) (柱面)、および (10 1 2) で 22～23 GPa と報告されている^{[ 35 ]}。高圧痕荷重では硬度が大幅に低下する可能性がある。荷重に対する低下は、方向間の亀裂抵抗と伝播の違いにより結晶面によって異なる。極端な例の 1 つは (0001) 面に見られ、高荷重 (~1  kN) での硬度は低荷重 (1～2 N) での値のほぼ半分である。^{[ 35 ]}

焼結によって形成され、熱間等方圧プレス処理された多結晶コランダムは、0.55～0.7μmの範囲の粒径を達成でき、4点曲げ強度は600～700MPa、3点曲げ強度は750～900MPaであることが測定されている。^{[ 36 ]}

• 宝石学

• 酸窒化アルミニウム
• 宝石
• スピネル– 天然および合成鉱物で、コランダムと間違われることが多い。