JP7085194B2

JP7085194B2 - 物質生成方法

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Publication number: JP7085194B2
Application number: JP2018095608A
Authority: JP
Inventors: 拓範平等; アルヴィダスカウシャス
Original assignee: National Institute of Natural Sciences
Current assignee: National Institute of Natural Sciences
Priority date: 2018-05-17
Filing date: 2018-05-17
Publication date: 2022-06-16
Anticipated expiration: 2038-05-17
Also published as: US12059664B2; US20210221692A1; JP2019199382A; WO2019221147A1

Description

本発明は、物質生成方法に関する。

従来、物質生成方法に関する技術として、例えば非特許文献１に記載されたダイアモンドの生成方法が知られている。非特許文献１に記載されたダイアモンドの生成方法では、炭酸塩鉱物及びケイ酸鉱物を加圧して高温状態に置くことで、これらが反応を起こし、ダイアモンドが生成される。

H. Ohfuji, et. al.、「Scientific Reportsvolume 5」、Article number:14702(2015)、doi:10.1038/srep14702

上述したような従来の技術では、新たな物質を生成するに際し、大掛かりな装置が必要になる。近年、新たな物質を簡便に生成できる物質生成方法が求められている。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、新たな物質を簡便に生成できる物質生成方法を提供することを課題とする。

本発明に係る物質生成方法は、母材の内部にジャイアントパルスレーザ光を吸収する原料が配置された状態あるいは母材と原料とが当接され且つ挟持された状態において、ジャイアントパルスレーザ光を照射し、ジャイアントパルスレーザ光を原料に吸収させることにより、衝撃波を発生させて少なくとも原料を相転移させて、新たな物質を生成する生成ステップを備える。

この物質生成方法では、ジャイアントパルスレーザ光を照射し、発生する衝撃波により相転移させ、物質を新たに創出することができる。すなわち、小型で簡便な構成で望めるジャイアントパルスレーザ光を利用して、物質を新たに創出することができる。よって、新たな物質を簡便に生成することが可能となる。

本発明に係る物質生成方法では、母材は、ジャイアントパルスレーザ光に対して透明な透明材料で形成され、原料は、透明材料の内部に配置された欠陥であり、生成ステップでは、ジャイアントパルスレーザ光を照射し、ジャイアントパルスレーザ光を欠陥に吸収させることにより、衝撃波を発生させて欠陥を相転移及び再結晶化させて、当該透明材料としての物質を生成してもよい。この場合、欠陥を相転移させて母材を補修することが可能となる。

本発明に係る物質生成方法では、母材及び原料は、薄膜状であり、生成ステップでは、母材と原料とを交互に積層して積層体を形成し、積層体をその積層方向に挟持し、ジャイアントパルスレーザ光を照射し、ジャイアントパルスレーザ光を原料に吸収させることにより、衝撃波を発生させて原料及び母材を相転移させて、ジャイアントパルスレーザ光に対して透明な物質を生成してもよい。このように、本発明によれば、多層膜である積層体において原料を母材と共に相転移させ、新たな透明な物質を生成することができる。

本発明に係る物質生成方法は、生成ステップでは、ジャイアントパルスレーザ光をスキャンすることにより、積層体の所定領域における原料及び母材を相転移させて、ジャイアントパルスレーザ光に対して透明な物質を生成してもよい。この場合、積層体の所定領域全体を相転移させ、所定領域全体に物質を生成することができる。

本発明に係る物質生成方法では、原料は、母材の内部に分散するように配置された微粒子であり、生成ステップでは、ジャイアントパルスレーザ光を照射し、ジャイアントパルスレーザ光を微粒子に吸収させることにより、衝撃波を発生させて微粒子及び母材を相転移させて、ジャイアントパルスレーザ光に対して透明な物質を生成してもよい。このように、本発明によれば、微粒子が内部に複数取り込まれた母材において微粒子を母材と共に相転移させ、新たな透明な物質を生成することができる。

本発明に係る物質生成方法は、生成ステップでは、ジャイアントパルスレーザ光をスキャンすることにより、母材の所定領域において、微粒子及び母材を相転移させて、ジャイアントパルスレーザ光に対して透明な物質を生成してもよい。この場合、母材の所定領域全体を相転移させ、所定領域全体に物質を生成することができる。

本発明によれば、新たな物質を簡便に生成できる物質生成方法を提供することが可能となる。

図１（ａ）は、第１実施形態に係る物質生成方法を説明する概略断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の続きを示す概略断面図である。図１（ｃ）は、図１（ｂ）の続きを示す概略断面図である。図２（ａ）は、第２実施形態に係る物質生成方法を説明する概略側面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）の続きを示す概略側面図である。図３（ａ）は、図２（ｂ）の続きを説明する概略側面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の続きを説明する概略側面図である。図４（ａ）は、第３実施形態に係る物質生成方法を説明する概略側面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）の続きを示す概略側面図である。図５（ａ）は、図４（ｂ）の続きを説明する概略側面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）の続きを説明する概略側面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について詳細に説明する。以下の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

［第１実施形態］
第１実施形態に係る物質生成方法は、透明材料の内部欠陥の再結晶化（相転移）を介した補修に適用可能な方法（すなわち、内部欠陥補修方法）である。特に、図１に示される物質生成方法は、宝石２の内部における欠陥３の補修に適用される。

宝石２は、例えばアクセサリー等に使用される固形物ないし鉱物である。宝石２は、母材を構成する。宝石２は、天然鉱物としての無機物結晶であってもよいし、人工合成物質であってもよい。宝石２は、透明な透明材料で形成されている。透明とは、後述するジャイアントパルスレーザ光ＧＬが透過することを意味し、具体的には、ジャイアントパルスレーザ光ＧＬが強度を維持して通過することを意味する。例えば透明とは、ジャイアントパルスレーザ光ＧＬに対する透過率（Ｆｒｅｓｎｅｌ損失分を差し引いた正味の透過率）が９５％以上をいい、具体的には９７％以上であることをいう。このことは、以下の透明において同様である。

宝石２としては、例えばダイアモンド、ガーネット、サファイア、ルビー、ラピスラズリ、オパール、黒曜石、モルダバイト、真珠、琥珀、キュービックジルコニア等が挙げられる。ここでの宝石２は、ダイアモンドで形成されている。欠陥３は、宝石２の内部の結晶化しきれなかった部分である。欠陥３は、例えば宝石２がダイアモンドの場合、宝石２中の炭素化した黒い部分である。欠陥３は、母材の内部に配置された、後述するジャイアントパルスレーザ光ＧＬを吸収する原料を構成する。

図１（ａ）に示されるように、第１実施形態に係る物質生成方法では、まず、欠陥３が内部に存在する宝石２を用意する。図２（ｂ）に示されるように、宝石２に対してジャイアントパルスレーザ光ＧＬを照射し、ジャイアントパルスレーザ光ＧＬを欠陥３に吸収させることで、衝撃波Ｐを発生させる。当該衝撃波Ｐは宝石２内で押し戻され、欠陥３を含む部分が超高温及び高圧縮状態となる。これにより、欠陥３が相転移及び再結晶化され、宝石２を形成するダイアモンドが新物質として、欠陥３を補修するようにして生成される。その結果、欠陥３が存在していた黒い領域も透明となる。

ジャイアントパルスレーザ光ＧＬは、衝撃波Ｐが発生可能なレーザ光である。ジャイアントパルスレーザ光ＧＬは、サブナノ秒のパルス幅を有するレーザ光である。ジャイアントパルスレーザ光ＧＬは、マイクロレーザ及びそのシステムを利用して得られる。ジャイアントパルスレーザ光ＧＬは、例えばピークパワーが数１００ｋＷ以上のレーザ光である。ジャイアントパルスレーザ光ＧＬは、例えばパルス幅が１０ｎｓ以下で１ｐｓ以上の領域（特に、１ｎｓ以下で１０ｐｓ以上）のレーザ光である。一例として、ジャイアントパルスレーザ光ＧＬは、パルス幅が０．６ｎｓ、波長が１０６４ｎｍであり、焦点距離３００ｍｍの集光レンズにより集光される場合がある。一例として、ジャイアントパルスレーザ光ＧＬは、レーザ強度が９００ＭＷ／ｃｍ^２であり、ビーム径が１．４２ｍｍであり、パルスエネルギが５ｍＪであり、パルス幅が７００ｐｓであり、波長が１０６４ｎｍである場合がある。

以上、本実施形態の物質生成方法では、小型で簡便な構成で望めるジャイアントパルスレーザ光ＧＬを照射し、発生する衝撃波Ｐにより相転移させ、物質を新たに創出することができる。新たな物質を簡便に生成することが可能となる。

特に本実施形態では、ジャイアントパルスレーザ光ＧＬを照射し、透明材料の宝石２の内部に配置された欠陥３にジャイアントパルスレーザ光ＧＬを吸収させることにより、衝撃波Ｐを発生させて欠陥３を相転移及び再結晶化させて、当該透明材料としての物質を生成す。この場合、欠陥３を相転移させて宝石２を補修することが可能となる。なお、ジャイアントパルスレーザ光ＧＬを照射して欠陥３に吸収させるステップが、生成ステップを構成する。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態の説明では、第１実施形態と異なる点について説明する。

第２実施形態に係る物質生成方法は、化合物の製造に用いられる方法であって、多層膜を相転移させて透明化させる。特に、図２及び図３に示される物質生成方法は、多層膜からなる積層体４の全域（広領域）を相転移させ、透明化する。

積層体４は、複数の母材４ａと複数の原料４ｂとを含む。母材４ａと原料４ｂとは、薄膜状を呈する。母材４ａと原料４ｂとは、交互に積層されている。母材４ａは、透明な透明材料で形成されている。母材４ａとしては、ダイアモンド、シリコンカーバイド、サファイア、ＹＡＧ等が挙げられる。ＹＡＧとは、発光中心を添加したＹＡＧ（3Y₂O₃-5Al₂O₃）を含む。同様に他の媒質においても発光中心には、希土類（ＲＥ）であるＮｄ，Ｙｂが、又は、遷移金属（ＴＭ）であるＴｉ，Ｃｒが主として用いられるが、発光中心は、目的によって添加したりしなかったりする。原料４ｂは、相転移前には着色されており、且つ、相転移によって母材４ａと共に透明になり得る材料で形成されている。原料４ｂとしては、例えばシリコン、アルミニウム、スカンジウム、カーボン等が挙げられる。

図２（ａ）に示されるように、第２実施形態に係る物質生成方法では、まず、母材４ａと原料４ｂとを交互に積層して積層体４を形成する。積層体４を物質Ｘ，Ｙでその積層方向に挟み込む。つまり、物質Ｘ，Ｙを用いて、積層体４をその積層方向に強固に挟持して固定する。母材４ａと原料４ｂとは当接され且つ挟持される。物質Ｘ，Ｙは、高硬度で且つ透明な材料で形成されている。物質Ｘは、例えばＮｄ：ＹＡＧである。物質Ｙは、例えばダイアモンド、シリコンカーバイド又はサファイアである。物質Ｘ，Ｙは、特に限定されず、種々の材料で形成されていてもよい。

図２（ｂ）に示されるように、積層体４に対してジャイアントパルスレーザ光ＧＬを照射し、ジャイアントパルスレーザ光ＧＬを原料４ｂに吸収させることで、衝撃波Ｐを発生させる。当該衝撃波Ｐは、積層体４内で押し戻され、原料４ｂ及びその周辺の母材４ａが超高温及び高圧縮状態となる。これにより、原料４ｂが母材４ａと共に相転移され、母材４ａ及び原料４ｂの各構成元素の少なくとも何れかを含む透明な化合物が、新たな物質５（図３参照）として生成される。

照射したジャイアントパルスレーザ光ＧＬを、その入射方向に垂直な面領域にてスキャン（走査）し、母材４ａ及び原料４ｂの当該相転移をスキャンの方向に進展させる。図３（ａ）に示されるように、このようなジャイアントパルスレーザ光ＧＬのスキャンを、例えば積層体４が有する原料４ｂの層数に対応する複数回繰り返す。これにより、原料４ｂ及び母材４ａの相転移が、積層体４においてジャイアントパルスレーザ光ＧＬの入射側から順次に生じる。その結果、図３（ｂ）に示されるように、積層体４の全体に亘る所定領域ＡＲ１において原料４ｂ及び母材４ａを相転移させて、所定領域ＡＲ１を改質化し、所定領域ＡＲ１に透明な物質５が生成される。

以上、本実施形態の物質生成方法においても、新たな物質５を簡便に生成することが可能となる。特に本実施形態では、積層体４を形成し、積層体４をその積層方向に挟持し、ジャイアントパルスレーザ光ＧＬを照射して原料４ｂに吸収させる。これにより、衝撃波Ｐを発生させて母材４ａ及び原料４ｂを相転移させ、透明な物質５を生成する。このように、本実施形態によれば、多層膜である積層体４において原料４ｂを母材４ａと共に相転移させ、新たな透明な物質５を生成することができる。

本実施形態では、ジャイアントパルスレーザ光ＧＬをスキャンすることにより、積層体４の所定領域ＡＲ１における原料４ｂを母材４ａと共に相転移させて、透明な物質５を生成する。この場合、積層体４の所定領域ＡＲ１全体を相転移させ、所定領域ＡＲ１全体に物質５を生成することができる。

なお、ジャイアントパルスレーザ光ＧＬを照射して原料４ｂに吸収させるステップが、生成ステップを構成する。積層体４の一部領域において、薄膜状の母材４ａ及び原料４ｂの材料の組合せを、目的に合わせ適宜に変更してもよい。

［第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明する。第３実施形態の説明では、第１実施形態と異なる点について説明する。

第３実施形態に係る物質生成方法は、化合物の製造に用いられる方法であって、微粒子が分散配置された母材を相転移させて透明化する。特に、図４及び図５に示される物質生成方法は、微粒子６を多数含む母材７の全域（広領域）を相転移させ、透明化する。

微粒子６は、母材７の内部に分散するように配置されている。微粒子６は、ジャイアントパルスレーザ光ＧＬを吸収する原料を構成する。微粒子６は、相転移前には着色されており、且つ、相転移によって母材７と共に透明になり得る材料で形成されている。微粒子６としては、例えばシリコン、アルミニウム、スカンジウム、カーボン等が挙げられる。母材７としては、透明な透明材料で形成されている。母材７としては、ダイアモンド、シリコンカーバイド、サファイア、ＹＡＧ等が挙げられる。

図４（ａ）に示されるように、第３実施形態に係る物質生成方法では、まず、微粒子６が分散するように配置された母材７を用意する。図４（ｂ）に示されるように、母材７に対してジャイアントパルスレーザ光ＧＬを照射し、ジャイアントパルスレーザ光ＧＬを微粒子６に吸収させることで、衝撃波Ｐを発生させる。当該衝撃波Ｐは、母材７内で押し戻され、微粒子６及びその周辺の母材７が超高温及び高圧縮状態となる。これにより、微粒子６が母材７と共に相転移され、母材７及び微粒子６の各構成元素の少なくとも何れかを含む透明な化合物が、新たな合成物質８（図５参照）として生成される。

照射したジャイアントパルスレーザ光ＧＬを、その入射方向に垂直な面領域にてスキャンし、微粒子６及び母材７の当該相転移をスキャンの方向に進展させる。図５（ａ）に示されるように、このようなジャイアントパルスレーザ光ＧＬのスキャンを、複数回繰り返す。これにより、微粒子６及び母材７の相転移が、ジャイアントパルスレーザ光ＧＬの入射側から順次に生じる。その結果、図５（ｂ）に示されるように、母材７の全体に亘る所定領域ＡＲ２において微粒子６及び母材７を相転移させて、所定領域ＡＲ２を改質化し、所定領域ＡＲ２に透明な合成物質８が生成される。

以上、本実施形態の物質生成方法においても、新たな合成物質８を簡便に生成することが可能となる。特に本実施形態では、ジャイアントパルスレーザ光ＧＬを照射し、ジャイアントパルスレーザ光ＧＬを微粒子６に吸収させることにより、衝撃波Ｐを発生させて微粒子６及び母材７を相転移させて、透明な合成物質８を生成する。このように、本実施形態によれば、微粒子６が内部に複数取り込まれた母材７において微粒子６を母材７と共に相転移させ、新たな透明な合成物質８を生成することができる。

本実施形態では、ジャイアントパルスレーザ光ＧＬをスキャンすることにより、母材７の所定領域ＡＲ２において、微粒子６を母材７と共に相転移させ、透明な合成物質８を生成する。この場合、母材７の所定領域ＡＲ２全体を相転移させ、所定領域ＡＲ２全体に合成物質８を生成することができる。

なお、ジャイアントパルスレーザ光ＧＬを照射して微粒子６に吸収させるステップが、生成ステップを構成する。母材７の一部領域において、母材７及び微粒子６の材料の組合せを、目的に合わせ適宜に変更してもよい。

［変形例］
以上、本発明の一形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られない。本発明において、母材及び原料の材料の組合せは、上記実施形態に特に限定されず、種々の組合せを採用できる。スキャンは、ジャイアントパルスレーザ光ＧＬ自体を移動させるものに限定されず、母材及び原料を移動することでジャイアントパルスレーザ光ＧＬを相対的に移動させるものも含む。当接には、欠陥又は微粒子と母材とが接触する状態も含む。

２…宝石（母材）、４ａ，７…母材、３…欠陥（原料）、４…積層体、４ｂ…原料、５…物質（新たな物質）、６…微粒子、８…合成物質（新たな物質）、ＡＲ１，ＡＲ２…所定領域、ＧＬ…ジャイアントパルスレーザ光、Ｐ…衝撃波。

Claims

母材の内部にジャイアントパルスレーザ光を吸収する原料が配置された状態あるいは前記母材と前記原料とが当接され且つ挟持された状態において、前記ジャイアントパルスレーザ光を照射し、前記ジャイアントパルスレーザ光を前記原料に吸収させることにより、衝撃波を発生させて少なくとも前記原料を相転移させて、新たな物質を生成する生成ステップを備え、
前記母材は、前記ジャイアントパルスレーザ光に対して透明な透明材料で形成され、
前記原料は、前記透明材料の内部に配置された欠陥であり、
前記生成ステップでは、前記ジャイアントパルスレーザ光を照射し、前記ジャイアントパルスレーザ光を前記欠陥に吸収させることにより、衝撃波を発生させて前記欠陥を相転移及び再結晶化させて、前記透明材料としての前記物質を生成する、物質生成方法。
母材の内部にジャイアントパルスレーザ光を吸収する原料が配置された状態あるいは前記母材と前記原料とが当接され且つ挟持された状態において、前記ジャイアントパルスレーザ光を照射し、前記ジャイアントパルスレーザ光を前記原料に吸収させることにより、衝撃波を発生させて少なくとも前記原料を相転移させて、新たな物質を生成する生成ステップを備え、
前記母材及び前記原料は、薄膜状であり、
前記生成ステップでは、
前記母材と前記原料とを交互に積層して積層体を形成し、前記積層体をその積層方向に挟持し、
前記ジャイアントパルスレーザ光を照射し、前記ジャイアントパルスレーザ光を前記原料に吸収させることにより、衝撃波を発生させて前記原料及び前記母材を相転移させて、前記ジャイアントパルスレーザ光に対して透明な前記物質を生成する、物質生成方法。
前記生成ステップでは、
前記ジャイアントパルスレーザ光をスキャンすることにより、前記積層体の所定領域における前記原料及び前記母材を相転移させて、前記ジャイアントパルスレーザ光に対して透明な前記物質を生成する、請求項２に記載の物質生成方法。
母材の内部にジャイアントパルスレーザ光を吸収する原料が配置された状態あるいは前記母材と前記原料とが当接され且つ挟持された状態において、前記ジャイアントパルスレーザ光を照射し、前記ジャイアントパルスレーザ光を前記原料に吸収させることにより、衝撃波を発生させて少なくとも前記原料を相転移させて、新たな物質を生成する生成ステップを備え、
前記原料は、前記母材の内部に分散するように配置された微粒子であり、
前記生成ステップでは、
前記ジャイアントパルスレーザ光を照射し、前記ジャイアントパルスレーザ光を前記微粒子に吸収させることにより、衝撃波を発生させて前記微粒子及び前記母材を相転移させて、前記ジャイアントパルスレーザ光に対して透明な前記物質を生成する、物質生成方法。
前記生成ステップでは、
前記ジャイアントパルスレーザ光をスキャンすることにより、前記母材の所定領域において、前記微粒子及び前記母材を相転移させて、前記ジャイアントパルスレーザ光に対して透明な前記物質を生成する、請求項４に記載の物質生成方法。