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| ダイヤモンド | |
|---|---|
 天然ダイヤモンド結晶 | |
| 一般的な | |
| カテゴリ | 天然鉱物 |
| 式 （繰り返し単位） | Ｃ |
| IMAシンボル | ディア[1] |
| ストルンツ分類 | 1.CB.10a |
| ダナ分類 | 1.3.6.1 |
| 結晶系 | キュービック |
| クリスタルクラス | 六八面体（m 3 m） HM記号：（4/m 3 2/m） |
| 空間群 | F d 3m（No.227） |
| 構造 | |
| ジェイモル（3D） | インタラクティブ画像 |
| 識別 | |
| 式量 | 12.01 グラム/モル |
| 色 | 通常は黄色、茶色、灰色から無色。まれに青、緑、黒、半透明の白、ピンク、すみれ色、オレンジ、紫、赤もあります。 |
| クリスタル習慣 | 八面体 |
| 姉妹都市 | スピネル法則は一般的（「マクル」を生じる） |
| 胸の谷間 | 111（4方向とも完璧） |
| 骨折 | 不規則/不均一 |
| モース 硬度 | 10（鉱物の定義） |
| 光沢 | アダマンティン |
| 連勝 | 無色 |
| 透けて見える | 透明から半透明、半透明まで |
| 比重 | 3.52 ± 0.01 |
| 密度 | 3.5～3.53 g/ cm3 3500～3530 kg/ m3 |
| 磨きの光沢 | アダマンティン |
| 光学特性 | 等方性 |
| 屈折率 | 2.418 (500 nm) |
| 複屈折 | なし |
| 多色性 | なし |
| 分散 | 0.044 |
| 融点 | 圧力依存 |
| 参考文献 | [2] [3] |
ダイヤモンドは炭素元素の固体であり、その原子はダイヤモンド立方体と呼ばれる結晶構造に配列されています。炭素の一種であるダイヤモンドは、無味無臭で、強度があり脆い固体で、純粋な状態では無色で、電気伝導性が低く、水に溶けません。グラファイトとして知られる別の炭素の固体は、室温および常圧で化学的に安定した炭素ですが、ダイヤモンドは準安定であり、これらの条件下ではごくわずかな割合でグラファイトに変化します。ダイヤモンドは、天然素材の中で最も高い硬度と熱伝導率を備えており、これらの特性は、切削工具や研磨工具などの主要な産業用途で使用されています。また、ダイヤモンドアンビルセルが地球深部にある圧力に材料をさらすことができるの も、このためです。
ダイヤモンドの原子配列は極めて固定されているため、ダイヤモンドを汚染する不純物の種類は限られています（例外はホウ素と窒素です）。欠陥や不純物が少量（格子原子100万個につき約1個）あると、ダイヤモンドは青（ホウ素）、黄色（窒素）、茶色（欠陥）、緑（放射線被曝）、紫、ピンク、オレンジ、または赤に着色します。 ダイヤモンドは屈折率も非常に高く、光学分散も比較的高いです。
天然ダイヤモンドの多くは、10億年から35億年前のものです。ほとんどは地球のマントルの深さ150～250キロメートル（93～155マイル）で形成されましたが、800キロメートル（500マイル）もの深さから採取されたものもあります。高圧高温下で、炭素を含む流体がさまざまな鉱物を溶解し、ダイヤモンドに置き換わりました。さらに最近（数億年から数千万年前）には、火山の噴火で地表に運ばれ、キンバーライトやランプロイトと呼ばれる火成岩に堆積しました。
合成ダイヤモンドは、高純度の炭素を高圧高温で処理して生成するか、炭化水素ガスから化学蒸着法(CVD) で生成することができます。模造ダイヤモンドは、キュービックジルコニアやシリコンカーバイドなどの材料から作ることもできます。天然ダイヤモンド、合成ダイヤモンド、模造ダイヤモンドは、光学的手法または熱伝導率測定を使用して区別するのが最も一般的です。
プロパティ
ダイヤモンドは、原子が結晶状に配置された純粋な炭素の固体です。固体炭素は、化学結合の種類に応じて同素体と呼ばれるさまざまな形態をとります。純粋炭素の最も一般的な2つの同素体は、ダイヤモンドとグラファイトです。グラファイトでは、結合はsp 2 軌道混成で、原子は平面状に形成され、各原子は120度離れた3つの最も近い原子と結合しています。ダイヤモンドでは、結合はsp 3で、原子は四面体を形成し、各原子は4つの最も近い原子と結合しています。[4] [5]四面体は剛性があり、結合は強力で、既知のすべての物質の中でダイヤモンドは単位体積あたりの原子数が最も多く、そのため最も硬く、最も圧縮性が低い物質です。[6] [7]また、密度が高く、天然ダイヤモンドでは3150〜3530 kg/m 3 (水の密度の3倍以上)、純粋ダイヤモンドでは3520 kg/m 3です。[2]グラファイトでは、最も近い隣接面間の結合はさらに強力ですが、平行に隣接する面間の結合は弱いため、面は簡単にすれ違ってしまいます。そのため、グラファイトはダイヤモンドよりもはるかに柔らかいです。しかし、結合が強いため、グラファイトは燃えにくくなります。[8]
ダイヤモンドは、その優れた物理的特性から、多くの用途に採用されてきました。最も高い熱伝導率と最も高い音速を持ちます。接着性と摩擦性が低く、熱膨張係数が極めて低いです。光学的透明性は遠赤外線から深紫外線まで広がり、高い光学分散性を持っています。また、電気抵抗も高いです。化学的に不活性で、ほとんどの腐食性物質と反応せず、優れた生物学的適合性を持っています。[9]
熱力学
グラファイトとダイヤモンドの遷移における平衡圧力と温度条件は理論的にも実験的にも確立されている。平衡圧力は温度とともに直線的に変化し、1.7 GPaで0 Kと12GPaで5000 K（ダイヤモンド/グラファイト/液体の三重点）[10] [11]しかし、この線の周りには、相が共存できる広い領域があります。標準温度と圧力、20 °C（293 K）と1標準気圧（0.10 MPa）では、炭素の安定相はグラファイトですが、ダイヤモンドは準安定であり、グラファイトへの変換率は無視できます。[7]しかし、約5000 K以上の温度では、4500 Kでは、ダイヤモンドは急速にグラファイトに変化します。グラファイトからダイヤモンドへの急速な変化には、平衡線よりはるかに高い圧力が必要です。2000 K、圧力35GPaが必要である。[10]
グラファイト・ダイヤモンド・液体炭素の三重点を超えると、ダイヤモンドの融点は圧力の上昇とともにゆっくりと上昇するが、数百GPaの圧力では低下する。[12]高圧下では、シリコンとゲルマニウムはBC8体心立方結晶構造を持ち、高圧下での炭素についても同様の結晶構造が予測される。0 Kでは、遷移は1100GPa。[13]
2010年に科学誌ネイチャー・フィジックスに掲載された論文によると、超高圧高温（約1000万気圧または1TPa、50,000℃）では、ダイヤモンドは溶けて金属流体になるという。これが起こるのに必要な極限条件は、氷の巨星である 海王星と天王星に存在している。両惑星は約10％の炭素で構成されており、理論的には液体炭素の海が存在する可能性がある。大量の金属流体は磁場に影響を与える可能性があるため、これは2つの惑星の地理的極と磁極が揃っていない理由の説明になる可能性がある。[14] [15]
結晶構造
ダイヤモンドの最も一般的な結晶構造は、立方ダイヤモンドと呼ばれます。これは、積み重ねられた単位格子（図を参照）で構成されています。図には18個の原子がありますが、各角の原子は8つの単位格子で共有され、面の中央の各原子は2つの原子で共有されているため、単位格子あたり合計8個の原子があります。[16]単位格子の各辺の長さはaで表され、3.567 オングストロームです。[17]
ダイヤモンド格子内の最近接距離は 1.732 a /4 です。ここでa は格子定数で、通常はa = 3.567 Å のようにオングストローム単位で表され、これは 0.3567 nm です。
ダイヤモンド立方格子は、2 つの相互浸透する面心立方格子のうち 1 つが立方格子セルに沿って対角線の 1/4ずれているもの、または各格子点に関連付けられた 2 つの原子を持つ 1 つの格子として考えることができます。[ 17] <1 1 1> 結晶方向から見ると、ABCABC ... パターンを繰り返して積み重ねられた層で形成されます。ダイヤモンドは ABAB ... 構造を形成することもあり、これは六方ダイヤモンドまたはロンズデーライトとして知られていますが、これははるかに一般的ではなく、立方炭素とは異なる条件下で形成されます。[18]
クリスタル習慣
ダイヤモンドは、自面体または丸みを帯びた八面体、およびマクルと呼ばれる双晶八面体として最もよく見られます。ダイヤモンドの結晶構造は原子の立方体配列であるため、立方体、八面体、菱形十二面体、四角形六面体、または二角形十二面体に属する多くの面があります。結晶は丸みを帯びた無表情なエッジを持つことがあり、細長い形状になることもあります。ダイヤモンド（特に丸みを帯びた結晶面を持つもの）は、不透明なガム状の皮膜であるニフで覆われているのが一般的です。 [19]
ダイヤモンドの中には不透明な繊維を含むものがある。繊維が透明な基質から成長している場合は不透明、結晶全体を占めている場合は繊維状と呼ばれる。色は黄色から緑、灰色までさまざまで、雲のような白から灰色の不純物が含まれることもある。最も一般的な形状は立方体だが、八面体、十二面体、マクル、または複合形状になることもある。この構造は、1～5ミクロンの大きさの多数の不純物の結果である。これらのダイヤモンドはおそらくキンバーライトマグマで形成され、揮発性物質を採取したものと思われる。[20]
ダイヤモンドは多結晶集合体を形成することもある。ボート、バラス、スチュワータイト、フレームサイトなどの名前でグループに分類する試みがなされてきたが、広く受け入れられている基準はない。[20]ダイヤモンド粒子が焼結（熱と圧力を加えることで溶融せずに融合）されたタイプのカーボナドは黒色で単結晶ダイヤモンドよりも硬い。[21]火山岩では観測されたことがない。その起源については星の中で形成されたなど多くの説があるが、コンセンサスはない。[20] [22] [23]
機械
硬度
ダイヤモンドは、定性的な モース硬度スケールで最も硬い物質です。定量的な ビッカース硬度試験を行うには、既知の力で標準化された寸法のピラミッドで材料のサンプルを叩きます。ピラミッドにはダイヤモンド結晶が使用され、幅広い材料を試験することができます。結果として生じるくぼみのサイズから、材料のビッカース硬度値を決定できます。ダイヤモンドが他の材料に比べて非常に硬いことは古代から知られており、その名前の由来となっています。これは、ダイヤモンドが無限に硬く、壊れず、傷がつかないことを意味するものではありません。[24]実際、ダイヤモンドは他のダイヤモンドによって傷がつくことがあり[25] 、ビニールレコードなどのより柔らかい材料によっても時間の経過とともに摩耗することがあります。[26]
ダイヤモンドの硬度は、その純度、結晶の完全性、配向に依存します。硬度は、<111>方向（立方ダイヤモンド格子の最長対角線に沿って）に配向した欠陥のない純粋な結晶の方が高くなります。[27]そのため、一部のダイヤモンドは窒化ホウ素などの他の材料で傷をつけることができるかもしれませんが、最も硬いダイヤモンドは、他のダイヤモンドとナノ結晶ダイヤモンド集合体でしか傷をつけることができません。
ダイヤモンドの硬さは、宝石として適していることに貢献しています。ダイヤモンドは他のダイヤモンドによってのみ傷がつくため、非常によく磨かれた状態を保ちます。他の多くの宝石とは異なり、ダイヤモンドは傷がつきにくいため、日常的に着用するのに適しています。おそらく、毎日着用されることが多い 婚約指輪や結婚指輪に好まれる宝石として人気があるのもそのためでしょう。
最も硬い天然ダイヤモンドは、主にオーストラリアのニューサウスウェールズ州ニューイングランド地域にあるコペトンとビンガラの鉱床から産出されます。これらのダイヤモンドは一般に小さく、完全から半完全な八面体で、他のダイヤモンドの研磨に使用されます。その硬度は結晶成長形態、つまり単一段階の結晶成長と関連しています。他のほとんどのダイヤモンドは、複数の成長段階の証拠を示しており、結晶格子に介在物、欠陥、欠陥面が生成され、これらはすべて硬度に影響します。通常のダイヤモンドを高圧と高温の組み合わせで処理すると、硬度計に使用されるダイヤモンドよりも硬いダイヤモンドを生産できます。[28]
ダイヤモンドはガラスをカットしますが、モース硬度スケールでガラスより上に位置する石英などの他の材料もカットできるため、これでダイヤモンドが確実に特定されるわけではありません。ダイヤモンドは他のダイヤモンドを傷つけることがあります。しかし、これにより片方または両方の石が損傷する可能性があります。硬度テストは、潜在的に破壊的な性質があるため、実際の宝石学ではあまり使用されません。[29]ダイヤモンドは極めて硬く価値が高いため、宝石は通常、他のほとんどの宝石の場合よりも細心の注意を払って、時間をかけて丁寧に研磨されます。[30]これにより、非常に平らで高度に研磨されたファセットと、非常に鋭いファセットエッジが得られます。ダイヤモンドはまた、非常に高い屈折率とかなり高い分散を備えています。これらの要因を合わせると、研磨されたダイヤモンドの全体的な外観に影響し、ほとんどのダイヤモンド商は、ダイヤモンドを「目視」で識別するために、ルーペ（虫眼鏡）の熟練した使用に頼っています。 [31]
強靭さ
硬度と多少関連があるのが、別の機械的性質である靭性で、これは強い衝撃による破損に耐える材料の能力である。天然ダイヤモンドの靭性は、50～65 MPa ·m 1/2と測定されている 。[矛盾] [32] [33] この値は他のセラミック材料と比較すると良好であるが、通常80 MPa·m 1/2を超える靭性を示すエンジニアリング合金などのほとんどのエンジニアリング材料と比較すると劣っている。あらゆる材料と同様に、ダイヤモンドの巨視的形状は破損に対する耐性に寄与している。ダイヤモンドには劈開面があり、そのためある方向では他の方向よりも脆い。ダイヤモンドカッターは、ファセット加工する前に一部の石を劈開するためにこの属性を使用する。[34]「衝撃靭性」は、合成工業用ダイヤモンドの品質を測定する主要な指標の1つである。
降伏強度
ダイヤモンドの圧縮降伏強度は130～140GPaである 。[35]この並外れた値とダイヤモンドの硬度および透明性が、ダイヤモンドアンビルセルが高圧実験の主なツールである理由である。[36]これらのアンビルは、600GPa。[37]ナノ結晶ダイヤモンドではさらに高い圧力が可能になるかもしれない。[36] [37]
弾性と引張強度
通常、ダイヤモンド結晶を張力や曲げによって変形させようとすると脆性破壊が生じます。しかし、単結晶ダイヤモンドがマイクロ/ナノスケールのワイヤや針（ 直径約100～300ナノメートル、長さ数マイクロメートル）の形状の場合、破損することなく9～10パーセントの引張ひずみまで弾性的に引き伸ばすことができ、[38]最大局所引張応力は約89～98GPaで、[39]この材料の理論的限界に非常に近い値となります。[40]
電気伝導性
半導体としての使用を含む他の特殊な用途も存在または開発されている。ほとんどのダイヤモンドが優れた電気絶縁体であるのに対し、一部のブルーダイヤモンドは天然半導体である。導電性と青色はホウ素不純物に由来する。ホウ素はダイヤモンド格子内の炭素原子を置換し、価電子帯に正孔を与える。[41]
化学蒸着法で成長した名目上はドーピングされていないダイヤモンドでは、高い導電性が一般的に観察されます。この導電性は表面に吸着した水素関連種と関連しており、アニールやその他の表面処理によって除去することができます。[42] [43]
ダイヤモンドの細い針は、選択的な機械的変形によって、電子バンドギャップを通常の5.6eVからほぼゼロまで変化させることができます。 [44]
直径5cmの高純度ダイヤモンドウエハーは、一方向には完全な抵抗を示し、他方向には完全な伝導性を示し、量子データストレージに使用できる可能性を生み出します。この材料には窒素がわずか3ppmしか含まれていません。ダイヤモンドは段差のある基板上で成長したため、ひび割れがなくなりました。[45]
表面特性
ダイヤモンドは本来親油性と疎水性を持ち、つまりダイヤモンドの表面は水で濡れることはないが、油で簡単に濡れてくっつく。この性質は、合成ダイヤモンドを作るときに油を使ってダイヤモンドを抽出するのに利用できる。しかし、ダイヤモンドの表面を特定のイオンで化学的に修飾すると、親水性が非常に高くなり、人間の体温で複数の層の氷を安定させることができると期待されている。[46]
ダイヤモンドの表面は部分的に酸化されている。酸化された表面は水素気流下での熱処理によって還元することができる。つまり、この熱処理によって酸素含有官能基が部分的に除去される。しかし、ダイヤモンド（sp 3 C）は大気圧下では高温（約400℃（752℉）以上）に対して不安定である。この温度以上では構造が徐々にsp 2 Cに変化する。したがって、ダイヤモンドはこの温度以下で還元する必要がある。[47]
化学的安定性
室温では、ダイヤモンドは強酸や強塩基を含むいかなる化学試薬とも反応しません。
純酸素の雰囲気下では、ダイヤモンドの発火点は690 °C (1,274 °F) から 840 °C (1,540 °F) の範囲です。結晶が小さいほど燃えやすい傾向があります。ダイヤモンドは赤熱から白熱に温度が上昇し、淡い青色の炎を出して燃え、熱源が取り除かれた後も燃え続けます。対照的に、空気中では酸素が窒素で希釈されるため、熱が取り除かれるとすぐに燃焼が止まります。透明で傷のないダイヤモンドは完全に二酸化炭素に変換され、不純物は灰として残ります。[48]ダイヤモンドをカットする際に発生する熱でダイヤモンドが発火することはありません。[49]また、ライターでも発火しません。[50]しかし、住宅火災やバーナーは十分に高温です。宝石職人は、ダイヤモンドリングの金属を成形する際に注意する必要があります。[51]
適切な粒径（約50 ミクロン）のダイヤモンド粉末は、炎から点火されると火花を散らしながら燃える。その結果、合成ダイヤモンド粉末をベースにした花火用組成物を調製することができる。結果として生じる火花は通常、木炭に匹敵する赤オレンジ色であるが、その高密度によって説明される非常に直線的な軌道を示す。[52]ダイヤモンドは、約700°C（1,292°F）を超えるとフッ素ガスとも反応する。
色
ダイヤモンドは広いバンドギャップを持ち、5.5 eV は、深紫外線の波長 225 ナノメートルに相当します。これは、純粋なダイヤモンドが可視光を透過し、無色透明の結晶として見えることを意味します。ダイヤモンドの色は、格子欠陥と不純物に由来します。ダイヤモンドの結晶格子は非常に強く、窒素、ホウ素、水素の原子のみが、成長中にかなりの濃度 (原子パーセントまで) でダイヤモンドに導入できます。高圧高温技術による合成ダイヤモンドの成長に一般的に使用される遷移金属のニッケルとコバルトは、ダイヤモンドで個々の原子として検出されています。最大濃度はニッケルで 0.01% [53]、コバルトではそれより低くなります。イオン注入によって、事実上あらゆる元素をダイヤモンドに導入できます。[54]
宝石ダイヤモンドに見られる不純物の中で、窒素は圧倒的に最も一般的なもので、ダイヤモンドの黄色と茶色の原因です。ホウ素は青色の原因です。[55]ダイヤモンドの色には、さらに2つの原因があります。緑色ダイヤモンドの色の原因となる放射線（通常はアルファ粒子による）と、ダイヤモンド結晶格子の塑性変形です。塑性変形は、一部の茶色[56]や、おそらくピンクや赤色のダイヤモンドの色の原因です。 [57]希少性の順に、黄色のダイヤモンドに続いて茶色、無色、青、緑、黒、ピンク、オレンジ、紫、赤の順になります。[34]「ブラック」またはカーボナードと呼ばれるダイヤモンドは、真の黒ではなく、宝石に暗い外観を与える多数の暗い内包物が含まれています。カラーダイヤモンドには、色の原因となる不純物または構造上の欠陥が含まれていますが、純粋またはほぼ純粋なダイヤモンドは透明で無色です。ダイヤモンドの不純物のほとんどは、結晶格子の炭素原子を置き換えたもので、炭素欠陥と呼ばれます。最も一般的な不純物である窒素は、存在する窒素の種類と濃度に応じて、わずかから強い黄色に着色します。[34]米国宝石学会（GIA）は、低彩度の黄色と茶色のダイヤモンドを通常の色の範囲のダイヤモンドとして分類し、「D」（無色）から「Z」（淡黄色）までの等級を適用しています。高彩度の黄色ダイヤモンドや、ピンクや青などの異なる色のダイヤモンドはファンシーカラーダイヤモンドと呼ばれ、異なる等級に分類されます。[34]
2008年、スペイン国王が所有していた35.56カラット（7.112グラム）のブルーダイヤモンドであるヴィッテルスバッハダイヤモンドが、クリスティーズのオークションで2,400万ドルを超える価格で落札された。 [58] 2009年5月、7.03カラット（1.406グラム）のブルーダイヤモンドがオークションで1,050万スイスフラン（当時のレートで697万ユーロ、950万ドル）で落札され、ダイヤモンドの1カラットあたりの最高値となった。[59]しかし、この記録は同年に破られ、2009年12月1日に香港で5カラット（1.0グラム）の鮮やかなピンクダイヤモンドが1,080万ドルで落札された。[60]
明瞭性
クラリティは、ダイヤモンドの品質を識別するのに役立つ 4C (色、クラリティ、カット、カラット重量) の 1 つです。米国宝石学会(GIA) は、ダイヤモンドの販売価値を決定するために 11 のクラリティ スケールを開発しました。GIA のクラリティ スケールは、フローレス (FL) からインクルード (I) までで、その中間には、内部的にフローレス (IF)、ごくわずかにインクルード (VVS)、ごくわずかにインクルード (VS)、わずかにインクルード (SI) があります。天然ダイヤモンドの不純物は、天然鉱物と酸化物の存在によるものです。クラリティ スケールは、色、サイズ、不純物の位置、10 倍の拡大で見えるクラリティの量に基づいてダイヤモンドを等級付けします。[61]ダイヤモンドのインクルージョンは、光学的方法で抽出できます。このプロセスは、強化前の画像を撮影し、インクルージョンの除去部分を特定し、最後にダイヤモンドのファセットとノイズを除去することです。[62]
蛍光
天然ダイヤモンドの25%から35%は、目に見えない長波紫外線や、X線やレーザーなどの高エネルギー放射線源で検査すると、ある程度の蛍光を示します。[63]白熱灯ではダイヤモンドは蛍光を発しません。ダイヤモンドは、青（最も一般的）、オレンジ、黄色、白、緑、そして非常にまれに赤や紫など、さまざまな色の蛍光を発します。原因はよくわかっていませんが、存在する窒素原子の数などの原子構造の変化がこの現象に寄与していると考えられています。
熱伝導率
ダイヤモンドは、その高い熱伝導率（900〜2320 W·m −1 ·K −1）。[64]屈折率が高いことも特徴ですが、他の物質にも同様の屈折率があります。
地質学
ダイヤモンドは極めて稀少で、原岩中の濃度は多くてもppb（10億分の1）以下である。[20] 20世紀以前は、ほとんどのダイヤモンドは沖積鉱床で発見されていた。また、ダイヤモンドの塊は現存する海岸線や古代の海岸線で発見されており、その大きさと密度から、そこに集まる傾向がある。[65] : 149 稀に、氷河堆積物（特にウィスコンシン州とインディアナ州）で発見されているが、これらの鉱床は商業的な品質ではない。[65] : 19 この種の鉱床は、風化と風や水による輸送を経た局所的な火成岩貫入から生成された。[66]
ダイヤモンドのほとんどは地球のマントルから来ており、このセクションのほとんどはそれらのダイヤモンドについて説明しています。しかし、他の起源もあります。地殻のいくつかのブロック、つまりテレーンは、地殻が厚くなるにつれて十分に深く埋もれ、超高圧変成作用を経験しました。これらには、マグマによって運ばれた形跡のないマイクロダイヤモンドが均等に分布しています。さらに、隕石が地面に衝突すると、衝撃波によってマイクロダイヤモンドとナノダイヤモンドが形成されるのに十分な高温と高圧が発生する可能性があります。[66]衝突型マイクロダイヤモンドは、古代の衝突クレーターの指標として使用できます。[67]ロシアの ポピガイ衝突構造には、小惑星の衝突によって形成された、推定数兆カラットの世界最大のダイヤモンド鉱床がある可能性があります。[68]
よくある誤解は、ダイヤモンドが高度に圧縮された石炭から形成されるというものである。石炭は埋もれた先史時代の植物から形成され、年代測定されたダイヤモンドのほとんどは最初の陸上植物よりもはるかに古いものである。沈み込み帯の石炭からダイヤモンドが形成される可能性はあるが、このようにして形成されたダイヤモンドはまれであり、炭素源は石炭ではなく、炭酸塩岩や堆積物中の有機炭素である可能性が高い。[69] [70]
表面分布
ダイヤモンドは地球上に均一に分布しているとは言えない。クリフォードの法則として知られる経験則によれば、ダイヤモンドはほとんどの場合、平均年齢が25億年以上の大陸の安定した核であるクラトンの最も古い部分のキンバーライトで発見される。 [66] [71] : 314 しかし、例外もある。重量で世界最大のダイヤモンド生産量を誇るオーストラリアのアーガイル・ダイヤモンド鉱山は、圧縮テクトニクスを受けた中央クラトンを取り囲む弱い帯である造山帯としても知られる変動帯に位置している。[72]キンバーライトの代わりに、母岩はランプロートである。経済的に採算が取れないダイヤモンドを含むランプロートは、米国、インド、オーストラリアでも発見されている。[66]さらに、カナダのスペリオル州のワワベルトのダイヤモンドや日本の島弧のマイクロダイヤモンドは、ランプロファイアと呼ばれる種類の岩石から発見されています。[66]
キンバーライトは、幅の狭い（1～4メートル）岩脈や岩床、直径約75メートル～1.5キロメートルのパイプの中に見られます。新鮮な岩は濃い青緑色から緑がかった灰色ですが、露出すると急速に茶色に変わり、崩れます。[73]キンバーライトは、スイカ大までの小さな鉱物と岩石の破片（クラスト）が混在した混成岩です。これらは、捕獲結晶と捕獲岩（下部地殻とマントルから運ばれた鉱物と岩石）、表層岩の破片、蛇紋石などの変質鉱物、噴火中に結晶化した新しい鉱物の混合物です。テクスチャは深さによって異なります。組成はカーボナタイトと連続体を形成しますが、後者は酸素が多すぎるため、炭素は純粋な形で存在できません。代わりに、炭素は鉱物の方解石（Ca C O
3）。[66]
ダイヤモンドを含む3つの岩石（キンバーライト、ランプロアイト、ランプロファイア）には、ダイヤモンドの形成に適さない特定の鉱物（メリライトとカルシライト）が欠けている。キンバーライトではオリビンが大きく目立つが、ランプロアイトにはチタン金雲母があり、ランプロファイアには黒雲母と角閃石がある。これらはすべて、少量の溶融物から急速に噴出するマグマ型に由来し、揮発性物質と酸化マグネシウムが豊富で、玄武岩などのより一般的なマントル溶融物よりも酸化性が低い。これらの特性により、溶融物はダイヤモンドを溶解する前に地表に運ぶことができる。[66]
探検
キンバーライトパイプは見つけるのが難しい場合があります。風化が早く（露出してから数年以内）、周囲の岩石よりも地形の起伏が低い傾向があります。ダイヤモンドは希少であるため、露頭で見えてもダイヤモンドを見ることはできません。いずれにせよ、キンバーライトは植物、堆積物、土壌、または湖で覆われていることがよくあります。現代の探索では、航空磁気調査、電気抵抗率、重力測定などの地球物理学的方法が、探査する有望な地域の特定に役立ちます。これには、同位体年代測定と地質史のモデル化が役立ちます。次に、調査員が地域に行き、キンバーライトの破片または指標鉱物を探してサンプルを収集する必要があります。後者は、極端な溶融物の枯渇やエクロジャイト内の高圧など、ダイヤモンドが形成される条件を反映した組成を持っています。ただし、指標鉱物は誤解を招く可能性があります。より良い方法は、鉱物の組成をマントル鉱物と平衡状態にあるかのように分析する地質温度圧力測定です。 [66]
キンバーライトを見つけるには根気が必要で、商業的に採算が取れるダイヤモンドを含むのはごくわずかです。1980年以降、大きな発見はカナダでのみ行われました。既存の鉱山の寿命は25年と短いため、将来的には新しいダイヤモンドが不足する可能性があります。[66]
年齢
ダイヤモンドの年代は、放射性同位元素の崩壊を利用して内包物を分析することで測定される。元素の存在比に応じて、ルビジウムからストロンチウム、サマリウムからネオジム、ウランから鉛、アルゴン40からアルゴン39、またはレニウムからオスミウムへの崩壊を見ることができる。キンバーライトで見つかったダイヤモンドの年代は10億年から35億年の範囲で、同じキンバーライトに複数の年代が含まれることがあり、ダイヤモンドの形成に複数のエピソードがあることを示している。キンバーライト自体ははるかに新しい。そのほとんどは数千万年から3億年前のものであるが、いくつかの古い例外（アーガイル、プレミア、ワワ）もある。したがって、キンバーライトはダイヤモンドとは独立して形成され、ダイヤモンドを地表に運ぶためだけに役立った。[20] [66]キンバーライトは、それが噴出したクラトンよりもはるかに新しい。古いキンバーライトが存在しない理由は不明だが、マントルの化学組成や地殻構造に何らかの変化があったことを示唆している。人類史上、キンバーライトは噴火していない。[66]
マントル起源
宝石品質のダイヤモンドのほとんどは、岩石圏の150～250 kmの深さから産出されます。この深さは、岩石圏の最も厚い部分であるマントルキールのクラトンの下にあります。これらの領域は、ダイヤモンドが形成されるのに十分な圧力と温度があり、対流も起こらないため、ダイヤモンドはキンバーライトの噴火で採取されるまで数十億年もの間保管されます。[66]
マントルキールの母岩には、ハルツバージャイトとレルゾライトという2種類のペリドタイトが含まれる。上部マントルで最も優勢な岩石であるペリドタイトは、主に鉱物のカンラン石と輝石からなる火成岩で、シリカが少なくマグネシウムが多い。しかし、ペリドタイト内のダイヤモンドが地表まで生き残ることはまれである。[66]ダイヤモンドを無傷のまま保つもう1つの一般的な発生源は、海洋プレートが沈み込み帯でマントルに沈み込むときに通常玄武岩から形成される変成岩であるエクロジャイトである。[20]
ダイヤモンドのより小さな部分（約150個が研究されている）は、遷移層を含む深さ330〜660 kmの領域から産出されている。これらはエクロジャイト中に形成されたが、マジョライト（過剰なケイ素を含むガーネットの一種）の包有物によって浅い起源のダイヤモンドと区別される。同様の割合のダイヤモンドが、深さ660〜800 kmの下部マントルから産出されている。[20]
ダイヤモンドは高温高圧下で熱力学的に安定しており、圧力が上昇するにつれてグラファイト からの相転移はより高い温度で起こる。したがって、大陸の下では、温度950 ℃、圧力4.5ギガパスカルで安定し、 これは150キロメートル以上の深さに相当する。より低温の沈み込み帯では、温度800℃、圧力3.5ギガパスカルで安定する。240キロメートル以上の深さでは、鉄ニッケル金属相が存在し、炭素はその中に溶解しているか、炭化物の 形で存在している可能性が高い。したがって、一部のダイヤモンドのより深い起源は、通常とは異なる成長環境を反映している可能性がある。[20] [66]
2018年に、ダイヤモンドサンプルの包有物として、氷VIIと呼ばれる氷相の最初の天然サンプルが発見されました。包有物は上部マントルと下部マントルにまたがる深さ400〜800kmで形成され、この深さに水分を豊富に含む流体が存在する証拠となっています。[75] [76]
炭素源
マントルにはおよそ10億ギガトンの炭素が含まれています（比較のために、大気海洋系には約44,000ギガトンが含まれています）。[77]炭素には2つの安定同位体、12 Cと13 Cがあり、質量比は約99:1です。[66]この比率は隕石では幅広い範囲に見られ、地球初期にも大きく変化していたことを示しています。また、光合成などの表面プロセスによっても変化する可能性があります。この割合は通常、 1000分の1で表される比率δ13Cを使用して標準サンプルと比較されます。玄武岩、カーボナタイト、キンバーライトなどのマントルの一般的な岩石の比率は-8から-2です。表面では、有機堆積物の平均は-25ですが、炭酸塩の平均は0です。[20]
異なる産地のダイヤモンドの集団は、δ13Cの分布が著しく異なります。ペリドタイトダイヤモンドは、主に典型的なマントル範囲内にあります。エクロジャイトダイヤモンドは、分布のピークはマントル範囲内ですが、-40から+3の値を持ちます。この変動性は、それらが原始的な炭素（地球形成以来マントルに存在していた）から形成されたのではないことを示唆しています。代わりに、それらは地殻構造のプロセスの結果ですが、（ダイヤモンドの年代を考えると）必ずしも現在作用している地殻構造のプロセスと同じではありません。[66]
形成と成長
マントル内のダイヤモンドは、 C-O-H-N-S流体または溶融物が岩石内の鉱物を溶かし、新しい鉱物と置き換える交代作用によって形成されます。（正確な組成が不明であるため、C-O-H-N-Sという漠然とした用語が一般的に使用されています。）ダイヤモンドは、この流体から、酸化炭素（例：CO 2またはCO 3 ）の還元、またはメタンなどの還元相の酸化によって形成されます。[20]
偏光、フォトルミネッセンス、カソードルミネッセンスなどのプローブを使用すると、ダイヤモンド内の一連の成長ゾーンを特定できます。リソスフェアのダイヤモンドの特徴的なパターンは、発光の非常に細い振動を伴うほぼ同心円状の一連のゾーンと、炭素が流体に再吸収され、その後再び成長するエピソードが交互に含まれています。リソスフェアの下のダイヤモンドは、より不規則でほぼ多結晶のテクスチャを持ち、高温と高圧、および対流によるダイヤモンドの輸送を反映しています。[66]
地上への輸送
地質学的証拠は、キンバーライトのマグマが毎秒4～20メートルの速度で上昇し、岩石の水圧破砕によって上昇経路を形成するというモデルを支持している。圧力が低下すると、マグマから蒸気相が溶出され、これがマグマを流動性に保つのに役立つ。地表では、最初の噴火が亀裂を通して高速（毎秒200メートル（450マイル）以上）で爆発する。その後、圧力が低下すると、岩石は浸食され、パイプを形成し、断片化された岩石（角礫岩）を生成する。噴火が弱まると、火砕相が起こり、その後、変成作用と水和作用によって蛇紋岩が生成される。[66]
ダブルダイヤモンド
稀に、内部に空洞があり、その中に2つ目のダイヤモンドが入っているダイヤモンドが発見されることがあります。最初のダブルダイヤモンドであるマトリョーシカは、 2019年にロシアのヤクートでアルロサによって発見されました。 [78]もう1つは、2021年に西オーストラリアのエレンデールダイヤモンドフィールドで発見されました。 [79]
宇宙で
地球上のダイヤモンドは稀ですが、宇宙では非常に一般的です。隕石では、炭素の約3％がナノダイヤモンドの形をしており、直径が数ナノメートルです。十分に小さなダイヤモンドは、表面エネルギーが低いためグラファイトよりも安定しており、宇宙の寒冷地でも形成されます。一部のナノダイヤモンドの同位体シグネチャーは、太陽系外の恒星で形成されたことを示しています。[80]
高圧実験では、氷の巨大惑星である天王星と海王星では、メタンから大量のダイヤモンドが凝縮して「ダイヤモンドの雨」になると予測されている。[81] [82] [83]太陽系外惑星の中には、ほぼ完全にダイヤモンドで構成されているものもある。[84]
ダイヤモンドは炭素を多く含む恒星、特に白色矮星に存在する可能性がある。ダイヤモンドの最も硬い形態であるカーボナドの起源に関する1つの理論は、白色矮星または超新星で発生したというものである。[85] [86]恒星で形成されたダイヤモンドは、最初の鉱物であった可能性がある。[87]
業界
今日、ダイヤモンドの最も一般的な用途は、装飾用の宝石として、および硬い材料を切断するための工業用研磨材としてです。宝石グレードのダイヤモンドと工業用グレードのダイヤモンドの市場では、ダイヤモンドの価値が異なります。
宝石グレードのダイヤモンド
白色光のスペクトル色への分散は、宝石ダイヤモンドの主な宝石学的特性である。20世紀には、宝石学の専門家が、宝石としての価値に最も重要な特性に基づいてダイヤモンドやその他の宝石を等級分けする方法を開発した。非公式に4Cとして知られる4つの特性は、現在ではダイヤモンドの基本的な記述子として一般的に使用されている。これらは、カラットでの質量（1カラットは0.2グラムに相当）、カット（カットの品質は、比率、対称性、研磨に従って等級分けされる）、色（白または無色にどれだけ近いか。ファンシーダイヤモンドの場合は、色相の強さ）、透明度（内包物がどれだけないか）である。大きくて欠陥のないダイヤモンドはパラゴンと呼ばれる。[88]
宝石グレードのダイヤモンドの大規模な取引が行われている。ほとんどの宝石グレードのダイヤモンドは新しく研磨された状態で販売されているが、研磨済みダイヤモンドの再販市場も確立されている（質屋、オークション、中古宝石店、ダイヤモンド商、取引所など）。宝石グレードのダイヤモンドの取引の特徴の1つは、その顕著な集中である。卸売取引とダイヤモンドのカットは、わずか数か所に限られている。2003年には、世界のダイヤモンドの92％がインドのスーラトでカットされ、研磨された。[ 89 ]ダイヤモンドのカットと取引の他の重要な中心地は、国際宝石学研究所が拠点を置くベルギーのアントワープダイヤモンド地区、ロンドン、ニューヨーク市のダイヤモンド地区、テルアビブのダイヤモンド取引所地区、アムステルダムである。一つの要因はダイヤモンド鉱床の地質学的性質である。いくつかの大規模なキンバーライトパイプ鉱山がそれぞれ市場シェアのかなりの部分を占めている（例えばボツワナのジュワネン鉱山は単一の大規模鉱山で年間12,500,000～15,000,000カラット（2,500～3,000 kg）のダイヤモンドを生産できる[90]）。一方、二次沖積ダイヤモンド鉱床は数百平方キロメートルに分散しているため、多くの異なる事業者に分散している傾向がある（例：ブラジルの沖積鉱床）。[要出典]
ダイヤモンドの生産と流通は、主に少数の主要プレーヤーの手に集約されており、伝統的なダイヤモンド取引センターに集中しています。最も重要なのはアントワープで、ここではダイヤモンド原石全体の80％ 、カットダイヤモンド全体の50％、そしてダイヤモンド原石、カットダイヤモンド、産業用ダイヤモンドを合わせた全体の50％以上が取り扱われています。[91]これにより、アントワープは事実上の「世界のダイヤモンドの首都」となっています。[92]アントワープ市には、1929年に設立され、ダイヤモンド原石専用の最初で最大のダイヤモンド取引所となるアントワープ・ダイヤモンド取引所もあります。[93]もう一つの重要なダイヤモンドセンターはニューヨーク市で、オークション販売を含め、世界のダイヤモンドのほぼ80％がここで販売されています。[91 ]
世界最大のダイヤモンド採掘会社であるデビアス社は、1888年に英国の実業家セシル・ローズによって設立されて以来、業界で支配的な地位を占めています。デビアスは現在、世界最大のダイヤモンド生産施設（鉱山）および宝石品質のダイヤモンドの流通チャネルの運営会社です。ダイヤモンド・トレーディング・カンパニー（DTC）はデビアスの子会社であり、デビアスが運営する鉱山からダイヤモンド原石を販売しています。デビアスとその子会社は、世界の年間ダイヤモンド生産量の約40％を生産する鉱山を所有しています。20世紀のほとんどの期間、世界のダイヤモンド原石の80％以上がデビアスを経由していましたが[94] 、 2001年から2009年までにその数字は約45％に減少し[95]、2013年までに同社の市場シェアは金額ベースで約38％、数量ベースではさらに減少しました。[96]デビアスは1990年代後半から2000年代初頭にかけてダイヤモンドの在庫の大部分を売却し[97]、残りは主に作業用在庫（販売前に選別中のダイヤモンド）となっている。[98]このことは報道でよく取り上げられているが[99]、一般にはほとんど知られていない。
デビアスは影響力を縮小する一環として、1999年に公開市場でのダイヤモンドの購入から撤退し、2008年末にはロシア最大のダイヤモンド会社アルロサが採掘したロシア産ダイヤモンドの購入も中止した。[100] 2011年1月現在、デビアスはボツワナ、ナミビア、南アフリカ、カナダの4カ国からのみダイヤモンドを販売していると述べている。[101]アルロサは世界的なエネルギー危機のため2008年10月に販売を一時停止せざるを得なかったが[要出典]、同社は2009年10月までに公開市場でのダイヤモンド原石の販売を再開したと報告している。[102]アルロサ以外の重要なダイヤモンド採掘会社には、世界最大の採掘会社であるBHP [103]、アーガイル(100%)、ディアヴィク(60%)、ムロワ(78%)のダイヤモンド鉱山を所有するリオ・ティント[104] などがある。[104]そして、アフリカでいくつかの主要なダイヤモンド鉱山を所有する ペトラ・ダイヤモンド社。
サプライチェーンのさらに下流では、世界ダイヤモンド取引所連盟（WFDB）のメンバーが卸売ダイヤモンド取引所の仲介役を務め、研磨済みダイヤモンドと原石ダイヤモンドの両方を取引しています。WFDBは、テルアビブ、アントワープ、ヨハネスブルグなど、米国、ヨーロッパ、アジアの他の都市などの主要なカットセンターにある独立したダイヤモンド取引所で構成されています。[34] 2000年に、WFDBと国際ダイヤモンド製造者協会は、戦争や非人道的行為の資金源としてダイヤモンドが取引されるのを防ぐため、世界ダイヤモンド評議会を設立しました。WFDBのその他の活動には、2年ごとに開催される世界ダイヤモンド会議のスポンサーや、ダイヤモンドのグレーディングを監督する国際ダイヤモンド評議会（IDC）の設立などがあります。 [105]
サイトホルダーズ（DTCと3年間の供給契約を結んでいる企業を指す商標用語）に購入されたダイヤモンドは、宝石として販売する準備としてカットおよび研磨される（「工業用」石は宝石市場の副産物とみなされ、研磨剤として使用される）。[106]ダイヤモンド原石のカットおよび研磨は、世界中の限られた場所に集中している専門的なスキルである。[106]伝統的なダイヤモンドカットセンターは、アントワープ、アムステルダム、ヨハネスブルグ、ニューヨーク市、テルアビブです。最近では、中国、インド、タイ、ナミビア、ボツワナにもダイヤモンドカットセンターが設立されています。[106]人件費の安いカットセンター、特にインドのグジャラート州スーラトでは、カラット数の少ないダイヤモンドを大量に取り扱っており、ヨーロッパや北米では、より大きなダイヤモンドやより価値の高いダイヤモンドを少量取り扱っている可能性が高い。インドでは近年、低コストの労働力を活用するこの産業が拡大し、以前は経済的に実現可能だったよりも大量の小粒ダイヤモンドを宝石として加工することが可能になった。[91]
宝石として加工されたダイヤモンドは、ダイヤモンド取引所で販売される。ダイヤモンド取引所は、世界で28ヶ所登録されている。[107]ダイヤモンド取引所は、ダイヤモンドのサプライチェーンにおける厳重に管理された最終段階である。卸売業者や小売業者でさえ、比較的小ロットのダイヤモンドを取引所で購入することができ、その後、消費者への最終販売のために加工される。ダイヤモンドは、ジュエリーにセットされた状態で販売される場合もあれば、セットされていない状態で販売される場合もある。リオ・ティントによると、2002年に生産され市場に流通したダイヤモンドは、原石として90億ドル、カット・研磨された後では140億ドル、卸売ダイヤモンドジュエリーでは280億ドル、小売販売では570億ドルと評価された。[108]
切断
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採掘されたダイヤモンド原石は、「カッティング」と呼ばれる多段階の工程を経て宝石に加工される。ダイヤモンドは非常に硬いが、脆く、一撃で割れてしまうこともある。そのため、ダイヤモンドのカッティングは、伝統的に、技術、科学的知識、道具、経験を要する繊細な作業とみなされている。最終目標は、ファセット間の特定の角度がダイヤモンドの光沢、つまり白色光の分散を最適化するファセット宝石を製作することであり、ファセットの数と面積が最終製品の重量を決定する。カッティングによる重量の減少は大きく、50% 程度になることもある。[109]形状はいくつか考えられるが、最終決定は、科学的考慮だけでなく、実際的考慮によっても決定されることが多い。たとえば、ダイヤモンドは、指輪やネックレスとして展示用または着用用として、特定の色や形の他の宝石と単独または囲んで使用される場合がある。[110]ラウンド、ペア、マーキス、オーバル、ハート＆アローダイヤモンドなど、古典的なものと考えられるものもあります。フェニックス、クッション、ソールミオダイヤモンドなど、特定の会社によって生産された特別なものもあります。[111]
カットで最も時間のかかる部分は、原石の予備分析です。これは、多数の問題に対処する必要があり、大きな責任を伴うため、ユニークなダイヤモンドの場合は何年もかかることがあります。次の問題が考慮されます。
- ダイヤモンドの硬度と劈開能力は結晶の方向に大きく依存します。そのため、カットするダイヤモンドの結晶構造をX 線回折法で分析し、最適なカット方向を選択します。
- ほとんどのダイヤモンドには、目に見える非ダイヤモンド含有物や結晶の欠陥が含まれています。カット職人は、カットによってどの欠陥を取り除き、どの欠陥を残すかを決定する必要があります。
- ダイヤモンドをハンマーで割るのは難しく、よく計算された角度の打撃でダイヤモンドを一片ずつ切断することができますが、ダイヤモンド自体を台無しにしてしまう可能性もあります。代わりに、より信頼性の高い方法であるダイヤモンドソーで切断することもできます。 [110] [112]
最初のカットの後、ダイヤモンドは研磨の多くの段階を経て形作られる。責任は重いが素早い作業であるカットとは異なり、研磨は徐々に材料を侵食して除去するため、非常に時間がかかる。関連する技術は十分に発達しており、日常的な作業とみなされており、技術者が実行できる。[113]研磨後、ダイヤモンドは、残っているか、またはプロセスによって誘発された可能性のある欠陥がないか再検査される。これらの欠陥は、再研磨、亀裂充填、または宝石内での石の巧妙な配置など、さまざまなダイヤモンド強化技術によって隠される。残っている非ダイヤモンド介在物は、レーザードリルで除去し、生成された空隙を埋める。[29]
マーケティング
マーケティングはダイヤモンドが貴重な商品であるというイメージに大きな影響を与えました。
20世紀半ばにデビアスが雇った広告会社NWエアー・アンド・サンは、アメリカのダイヤモンド市場の復活に成功し、それまでダイヤモンドの伝統が存在しなかった国々に新しい市場を創出した。NWエアーのマーケティングには、プロダクト・プレイスメント、デビアス・ブランドではなくダイヤモンド製品自体に焦点を当てた広告、有名人や王族との関連付けが含まれていた。デビアスはデビアス・ブランドを宣伝せずに、競合他社のダイヤモンド製品も宣伝していたが、[114]デビアスは20世紀を通じてダイヤモンド市場を独占していたため、これは問題ではなかった。2008年の世界的経済危機の余波で、デビアスの市場シェアは一時的にアルロサに次ぐ世界第2位に落ち込み、販売ではなく採掘カラット数で29%未満にまで落ち込んだ。[ 115]このキャンペーンは数十年続いたが、2011年初頭までに事実上中止された。デビアスは今でもダイヤモンドの広告を行っているが、今では広告は完全に「一般的な」ダイヤモンド製品ではなく、自社ブランドやライセンス製品ラインを宣伝するものがほとんどである。[115] このキャンペーンはおそらく「ダイヤモンドは永遠」というスローガンに最もよく表れている。 [116]このスローガンは現在、デビアス・ダイヤモンド・ジュエラーズ[117]によって使用されている。同社はデビアス鉱山会社と高級品コングロマリットのLVMHが50/50%出資する合弁企業である宝飾品会社である。
茶色のダイヤモンドはダイヤモンド生産のかなりの部分を占め、主に工業目的で使用されていました。それらは宝飾品としては価値がないとみなされていました（ダイヤモンドのカラースケールで評価されることさえありませんでした）。1986年にオーストラリアでアーガイルダイヤモンド鉱山が開発され、販売されて以来、茶色のダイヤモンドは宝石として受け入れられるようになりました。[118] [119]この変化は主に数字によるものでした。アーガイル鉱山は年間35,000,000カラット（7,000 kg）のダイヤモンドを産出し、天然ダイヤモンドの世界生産量の約3分の1を占めています。[120]アーガイルダイヤモンドの80％は茶色です。[121]
工業用ダイヤモンド
工業用ダイヤモンドは主に硬度と熱伝導性で評価されており、 4Cなどのダイヤモンドの宝石学的特性の多くはほとんどの用途には無関係です。採掘されたダイヤモンドの80％（年間約1億3500万カラット（2万7000キログラム）に相当）は宝石としての使用に適さず、工業的に使用されています。[122]採掘されたダイヤモンドに加えて、合成ダイヤモンドは1950年代に発明されてからすぐに工業用途が見つかりました。2014年には45億カラット（90万キログラム）の合成ダイヤモンドが生産され、そのうち90％が中国で生産されました。現在、ダイヤモンド研削砥石の約90％は合成由来です。[123]
宝石品質のダイヤモンドと工業用ダイヤモンドの境界は明確に定義されておらず、市場の状況に部分的に左右される（例えば、研磨済みダイヤモンドの需要が高い場合、低品質の石は工業用に販売されるのではなく、低品質または小さな宝石に研磨される）。工業用ダイヤモンドのカテゴリー内には、最も品質が低く、ほとんどが不透明な石で構成されるサブカテゴリーがあり、これはボルトとして知られている。[124]
ダイヤモンドの工業的利用は歴史的にその硬度と関連付けられており、ダイヤモンドは切削工具や研削工具に最適な素材となっている。天然に存在する最も硬い素材として知られているダイヤモンドは、他のダイヤモンドを含むあらゆる素材を研磨、切断、または摩耗させるために使用できる。この特性の一般的な工業的用途には、ダイヤモンドチップ付きドリルビットや鋸、および研磨剤としてのダイヤモンド粉末の使用が含まれる。宝石よりも傷が多く色が劣る安価な工業用ダイヤモンド（ボルト）がこのような目的に使用されている。[125]ダイヤモンドは鉄 合金の高速加工には適していない。高速加工によって生じる高温では炭素が鉄に溶け、ダイヤモンド工具の摩耗が他の工具に比べて大幅に増加するためである。[126]
特殊な用途としては、実験室での高圧実験用の封じ込め（ダイヤモンドアンビルセルを参照）、高性能ベアリング、特殊な窓での限定的な使用などがある。[124]合成ダイヤモンドの製造は継続的に進歩しており、将来の用途も実現可能になりつつある。ダイヤモンドは熱伝導率が高いため、電子機器の集積回路のヒートシンクとして適している。[127]
鉱業
毎年約1億3000万カラット（2万6000キログラム）のダイヤモンドが採掘され、その総額は約90億米ドルに上ります。また、毎年約10万キログラム（22万ポンド）のダイヤモンドが合成されています。[128]
ダイヤモンドのおよそ49%は中央アフリカと南アフリカが原産ですが、カナダ、インド、ロシア、ブラジル、オーストラリアでも重要な鉱物の産地が発見されています。[123]ダイヤモンドはキンバーライトとランプロアイトの火山管から採掘され、地球の深部で高圧と高温によって形成されるダイヤモンドの結晶を地表に運ぶことができます。天然ダイヤモンドの採掘と流通は、アフリカの準軍事組織による血塗られたダイヤモンドや紛争ダイヤモンドの販売をめぐる懸念など、頻繁に論争の的となっています。[129]ダイヤモンドのサプライチェーンは、限られた数の有力企業によって管理されており、世界中の少数の場所に高度に集中しています。
ダイヤモンド鉱石のうち、実際のダイヤモンドはごくわずかです。鉱石は粉砕されますが、その際、大きなダイヤモンドを壊さないように注意する必要があります。その後、密度によって選別されます。今日では、X線蛍光法の助けを借りて、ダイヤモンドを多く含む密度の画分にダイヤモンドが位置付けられ、その後、最終的な選別手順は手作業で行われます。X線の使用が一般的になる前は、[109]選別はグリースベルトで行われていました。ダイヤモンドは、鉱石内の他の鉱物よりもグリースに付着する傾向が強いためです。[34]
歴史的に、ダイヤモンドは南インドのクリシュナ川デルタのグントゥールとクリシュナ地区の沖積鉱床でのみ発見されました。[130]インドは、紀元前9世紀頃にダイヤモンドが発見されてから[131] [132]、18世紀半ばまで世界のダイヤモンド生産をリードしていましたが、これらの資源の商業的可能性は18世紀後半までに枯渇し、その時点でインドは1725年にインド以外で最初のダイヤモンドが発見されたブラジルに追い抜かれました。[131]現在、最も有名なインドの鉱山の1つはパンナにあります。[133]
ダイヤモンドの一次鉱床（キンバーライトとランプロイト）からの採掘は、1870年代に南アフリカのダイヤモンドフィールドが発見された後に始まりました。 [134]生産量は時間とともに増加し、現在ではその日以来累計45億カラット（90万キログラム）が採掘されています。[135]その量の20％が過去5年間に採掘され、過去10年間で9つの新しい鉱山が生産を開始しました。さらに4つの鉱山が間もなく開業を待っています。これらの鉱山のほとんどはカナダ、ジンバブエ、アンゴラにあり、1つはロシアにあります。[135]
米国では、アーカンソー州、コロラド州、ニューメキシコ州、ワイオミング州、モンタナ州でダイヤモンドが発見されている。[136] [137] 2004年に米国で微小なダイヤモンドが発見されたことをきっかけに、2008年1月にはモンタナ州の遠隔地でキンバーライトパイプの大量サンプル採取が行われた。アーカンソー州のダイヤモンドクレーター州立公園は一般に公開されており、一般の人がダイヤモンドを掘ることができる世界で唯一の鉱山である。[137]
現在、商業的に採算が取れるダイヤモンド鉱床のほとんどは、ロシア（主にサハ共和国、例えばミール・パイプやウダチナヤ・パイプ）、ボツワナ、オーストラリア（北オーストラリア州と西オーストラリア州）、コンゴ民主共和国にあります。[138]英国地質調査所によると、2005年にはロシアが世界のダイヤモンド生産量のほぼ5分の1を生産しました。オーストラリアは最も豊富なダイヤモンド含有パイプを誇り、アーガイル・ダイヤモンド鉱山の生産量は 1990年代に年間42トンのピークに達しました。 [136] [139]カナダのノースウエスト準州とブラジルでも商業的な鉱床が活発に採掘されています。 [123]ダイヤモンド探鉱者は、ダイヤモンドを含むキンバーライト・パイプとランプロアイト・パイプを求めて世界中で調査を続けています。
政治問題
ウィキブック開発協力ハンドブックには、 「持続不可能な成長」というトピックに関するページがあります。
政治的に不安定な中央アフリカと西アフリカの国々では、革命グループがダイヤモンド鉱山を掌握し、ダイヤモンドの売却益を資金源としている。このプロセスを通じて販売されたダイヤモンドは、紛争ダイヤモンドまたは血塗られたダイヤモンドとして知られている。[129]
ダイヤモンドの購入が中央アフリカと西アフリカでの戦争や人権侵害を助長しているという国民の懸念に応えて、国連、ダイヤモンド業界、ダイヤモンド取引国は2002年にキンバリープロセスを導入した。 [140]キンバリープロセスの目的は、紛争ダイヤモンドがそのような反政府勢力に支配されていないダイヤモンドと混ざらないようにすることである。これは、ダイヤモンド生産国に、ダイヤモンドの販売で得たお金が犯罪活動や革命活動の資金に使われていないことを証明することを義務付けることで行われる。キンバリープロセスは市場に流入する紛争ダイヤモンドの数を制限することにある程度成功しているが、まだ一部は市場に流入している。国際ダイヤモンド製造者協会によると、紛争ダイヤモンドは取引されるダイヤモンド全体の2～3％を占めている。[141]キンバリープロセスの有効性を妨げている2つの大きな欠陥は、（1）アフリカ国境を越えたダイヤモンドの密輸が比較的容易であること、（2）戦争状態になく、ダイヤモンドが「クリーン」であると見なされている国でのダイヤモンド採掘の暴力性である。[140]
カナダ政府は、カナダ産ダイヤモンドの真贋を判断するために、カナダ産ダイヤモンド行動規範[142]と呼ばれる機関を設立した。これは厳格なダイヤモンド追跡システムであり、カナダ産ダイヤモンドの「紛争フリー」ラベルを保護するのに役立つ。[143]
鉱物資源の採掘は一般的に不可逆的な環境破壊を引き起こすため、国が得る社会経済的利益と比較検討する必要がある。[144]
合成物、模造品、強化品
合成繊維
合成ダイヤモンドは、地球から採掘されたダイヤモンドとは対照的に、研究室で製造されたダイヤモンドです。ダイヤモンドの宝石学および工業用途により、原石の需要が高まっています。この需要は、半世紀以上にわたってさまざまな方法で製造されてきた合成ダイヤモンドによって大部分が満たされてきました。しかし、近年では、かなりの大きさの宝石品質の合成ダイヤモンドを生産することが可能になりました。[65]分子レベルでは天然石と同一で、視覚的に非常に似ているため、特別な機器を備えた宝石鑑定士だけが違いを識別できる無色の合成宝石を作ることができます。[145]
市販されている合成ダイヤモンドのほとんどは黄色で、いわゆる高圧高温（HPHT）プロセスによって生産されています。[146]黄色は窒素不純物によって生じます。青、緑、ピンクなどの他の色も再現されることがあります。これはホウ素の添加や合成後の放射線照射の結果として生じます。 [147]
合成ダイヤモンドを成長させるもう一つの一般的な方法は、化学蒸着法（CVD）です。成長は低圧（大気圧以下）で起こります。この方法では、ガス混合物（通常はメタン1対水素99 ）をチャンバーに送り込み、マイクロ波、高温フィラメント、アーク放電、溶接トーチ、またはレーザーによって点火されたプラズマ内で化学的に活性なラジカルに分解します。[148]この方法は主にコーティングに使用されますが、数ミリメートルの大きさの単結晶も生成できます（写真参照）。[128]
2010年現在、 年間生産される50億カラット（1,000トン）の合成ダイヤモンドのほぼ全てが工業用である。年間採掘される天然ダイヤモンド1億3,300万カラットのうち、約50％が工業用に使用される。[145] [149]採掘会社の費用は、天然の無色ダイヤモンドの場合1カラットあたり平均40～60米ドルであるのに対し、合成ダイヤモンド製造会社の費用は、宝石品質の無色合成ダイヤモンドの場合1カラットあたり平均2,500米ドルである。 [145] : 79 ただし、購入者がファンシーカラーダイヤモンドを探している場合は、合成ダイヤモンドに遭遇する可能性の方が高い。なぜなら、天然ダイヤモンドのうちファンシーカラーはわずか0.01％であるのに対し、合成ダイヤモンドのほとんどは何らかの形で色が付いているからである。[150]
-
高圧高温技術によって生成された様々な色の合成ダイヤモンド -
化学蒸着法で成長したダイヤモンドから切り出された無色の宝石
模擬薬
ダイヤモンド類似品は、ダイヤモンドの外観を模倣するために使用される非ダイヤモンド材料であり、ディアマンテと呼ばれることもあります。キュービックジルコニアが最も一般的です。宝石のモアッサナイト（炭化ケイ素）は、ダイヤモンド類似品として扱うことができますが、キュービックジルコニアよりも製造コストが高くなります。どちらも合成で製造されます。[151]
機能強化
ダイヤモンドのエンハンスメントとは、天然ダイヤモンドまたは合成ダイヤモンド（通常はカットされ、研磨されて宝石になっているもの）に施される特別な処理で、1つまたは複数の方法で石の宝石学的特性を向上させることを目的としています。これには、内包物を除去するためのレーザードリリング、亀裂を埋めるためのシーラントの塗布、ホワイトダイヤモンドの色グレードを向上させる処理、ホワイトダイヤモンドにファンシーカラーを与える処理が含まれます。[152]
コーティングは、キュービックジルコニアなどのダイヤモンド類似品に「ダイヤモンドのような」外観を与えるためにますます多く使用されています。そのような物質の 1 つがダイヤモンドのような炭素です。これは、ダイヤモンドに似た物理的特性を持つ非晶質炭素質材料です。広告では、このようなコーティングにより、コーティングされた石にダイヤモンドのような特性の一部が移り、ダイヤモンド類似品の性能が向上すると示唆されています。ラマン分光法などの技術により、このような処理は簡単に識別できます。[153]
識別
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初期のダイヤモンド鑑定テストには、ダイヤモンドの優れた硬度を利用したスクラッチテストが含まれていました。このテストは、ダイヤモンドが他のダイヤモンドを傷つける可能性があるため破壊的であり、現在ではほとんど使用されていません。代わりに、ダイヤモンドの鑑定は優れた熱伝導性に依存しています。電子熱プローブは、ダイヤモンドを模造品から区別するために、宝石学センターで広く使用されています。これらのプローブは、細い銅の先端に取り付けられたバッテリー駆動のサーミスタのペアで構成されています。1つのサーミスタは加熱装置として機能し、もう1つは銅の先端の温度を測定します。検査対象の石がダイヤモンドである場合、先端の熱エネルギーを十分な速さで伝導し、測定可能な温度低下を引き起こします。このテストには約2〜3秒かかります。[154]
熱プローブはダイヤモンドをその類似品のほとんどから分離できるが、合成か天然か、照射済みか未照射かなど、さまざまなタイプのダイヤモンドを区別するには、より高度な光学技術が必要である。これらの技術は、熱伝導率テストに合格するシリコンカーバイドなどの一部のダイヤモンド類似品にも使用されている。光学技術は、天然ダイヤモンドと合成ダイヤモンドを区別できる。また、処理された天然ダイヤモンドの大部分を識別することもできる。[155]「完全な」結晶（原子格子レベル）はこれまで発見されていないため、天然ダイヤモンドと合成ダイヤモンドはどちらも、結晶成長の状況から生じる特徴的な欠陥を常に備えており、それによって互いに区別できる。[156]
研究所では、分光法、顕微鏡法、短波紫外線下での発光などの技術を使用して、ダイヤモンドの起源を特定します。[155]また、鑑定プロセスを支援するために特別に作られた機器も使用します。 2つのスクリーニング機器は、DiamondSureとDiamondViewで、どちらもDTCによって製造され、GIAによって販売されています。[157]
合成ダイヤモンドを識別する方法はいくつかあり、製造方法やダイヤモンドの色によって異なります。CVDダイヤモンドは通常、オレンジ色の蛍光で識別できます。D～J色のダイヤモンドは、スイス宝石学研究所の[158]ダイヤモンドスポッターで選別できます。D～Z色の範囲の石は、デビアスが開発したツールであるDiamondSure UV/可視分光計で検査できます。[156]同様に、天然ダイヤモンドには通常、異物の混入など、合成ダイヤモンドには見られない小さな欠陥や傷があります。
ダイヤモンドの種類検出に基づくスクリーニング デバイスを使用すると、確実に天然のダイヤモンドと、合成の可能性があるダイヤモンドを区別できます。合成の可能性があるダイヤモンドについては、専門の研究所でさらに調査する必要があります。市販のスクリーニング デバイスの例としては、D-Screen (WTOCD / HRD Antwerp)、Alpha Diamond Analyzer (Bruker / HRD Antwerp)、D-Secure (DRC Techno) などがあります。
語源、最古の使用と構成の発見
ダイヤモンドという名前は、古代ギリシャ語のἀδάμας ( adámas )、「適切な、変えられない、壊れない、飼いならされていない」に由来し、ἀ- ( a- )、「ない」+古代ギリシャ語のδαμάω ( damáō )、「圧倒する、飼いならす」から成ります。[159]ダイヤモンドはインドで最初に認識され、採掘されたと考えられています。インドでは、何世紀も前にペナー川、クリシュナ川、ゴダヴァリ川沿いに大量のダイヤモンドの沖積鉱床が見つかりました。インドでは、ダイヤモンドは少なくとも3,000年前から知られていますが、おそらく6,000年前から知られています。[131]
ダイヤモンドは古代インドで宗教的な象徴として使われて以来、宝石として珍重されてきました。彫刻の道具としての使用も人類の歴史の初期にまで遡ります。[160] [161]ダイヤモンドの人気は19世紀以降、供給量の増加、カットと研磨の技術の向上、世界経済の成長、革新的で成功した広告キャンペーンにより高まってきました。[116]
1772年、フランスの科学者アントワーヌ・ラボアジエはレンズを使って酸素雰囲気中のダイヤモンドに太陽光線を集中させ、燃焼の唯一の生成物が二酸化炭素であることを示し、ダイヤモンドが炭素でできていることを証明した。[162]その後、1797年にイギリスの化学者スミスソン・テナントはその実験を繰り返し、拡張した。[163]ダイヤモンドとグラファイトを燃焼させると同量のガスが放出されることを実証することで、彼はこれらの物質の化学的等価性を確立した。[30]
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外部リンク
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ウィキクォートからの引用
- ダイヤモンドの特性: Ioffe データベース
- 「ダイヤモンドの外観における青色蛍光の理解への貢献」。米国宝石学会 (GIA)。2007 年。2017 年 9 月 8 日時点のオリジナルよりアーカイブ。