2.6nmダイヤモンド分散粒子の定常的生産が可能となった

本HPの今年1月号ニュース欄で、爆轟法ナノダイヤモンドの平均直径が2.6±0.5nmに決まったことを報告したが、この先で研究がしばらく躓いた。というのは、この大きさに揃った製品を再現性よく製造することが出来なかった。具体的には、2.6nmの2倍に近い直径4~5nmの粒子ばかりが頻繁に出来た。つまり、2.6nmの粒子が一旦は出来るが、その後速やかに2量体をつくるらしい。ミリング解砕の後で、軽度の凝集が起きるような操作をしているらしい。そこで、考えられるすべての要因を根気強く虱潰しに検討した結果、それまで無害な操作と考えて見逃していた、「水による希釈」操作が犯人であることが解った。
ビーズミリング終了後に回流回路の内部を水で良く洗うが、その際に洗液が相当黒く着色して、かなりの量のナノダイヤが含まれていることが明らかなので、回流水本体のナノダイヤコロイド水溶液に加えて、必要とあればロータリーエバポレーターで濃縮し、さらに冷蔵、棉濾過、遠心処理、クロマトなどの精製処理後、ナノダイヤコロイド水溶液の商品濃度2.5%まで水を添加して希釈していた。ナノダイヤ凝膠体の解砕後に、水による希釈を2回も行っていたことになる。
ナノダイヤ水溶液に水を加えて希釈し、濃度を薄めると軽度の凝集が起きることは、以前から気づいていた。他社の製品にも同様な現象が認められたので、ナノ粒子に共通した現象であろうと考えて、取り敢えず「希釈凝集」と名付けておいた。化学では、溶液の濃度を下げると、溶質分子間の平均距離が増すから、衝突による会合が起き難くなり、単分散が達成されが、ナノ粒子ではその逆になる!非常に不思議な現象である。原因はまだ良く解っていないが、一般に希釈凝集の程度は小さく、特にわが社の製品は凝集しにくいので、あまり重視していなかった。ところが、3nm以下の平均直径をもつ粒子が出来てみると、表面活性が高くなるので、希釈凝集が顕著に起きたのであろう。
 注意深く解砕条件を保持し、解砕終了後は水を一切添加しないようにしたら、2.6nm粒子が定常的に取れるようになった。現在の解砕条件では、凝膠体原料スラリーの初期濃度は4%なので、製品コロイド分散溶液の濃度も4%である。それなら、4%以外の濃度のコロイド溶液をどのようにして作るかという問題が発生する。上で、希釈凝集の原因が良く解っていない、と述べたが、これと逆の現象「濃縮分散」、すなわちナノダイヤ分散水溶液は濃縮するほど、分散が安定化することも知られている。濃縮分散はコロイド結晶と関連付けて、説明できそうである。とすると、希釈凝集も説明できそうである。