材料科学：コロイドダイヤモンド
Nature 585, 7826 doi: 10.1038/s41586-020-2718-6
コロイド粒子を自己集合させた立方晶ダイヤモンド結晶構造は、フォトニックバンドギャップを持つ材料の作製に使用できる可能性がある。そうした材料は、光の自然放出を抑制するため有益であり、光導波路、フィルター、レーザー共振器としての応用や、集光技術の向上などへの応用で高く評価されている。立方晶ダイヤモンドは、自己集合によって形成されやすい面心立方構造などの構造と比べて、バンドギャップがはるかに広く、欠陥に対してそれほど敏感ではないため、こうした応用に望ましい。加えて、ダイヤモンド結晶のバンドギャップは約2という屈折率コントラストにおいて現れる。これは、面心立方結晶では不可能と思われる、既知の材料を用いた光周波数でのフォトニックバンドギャップの実現が、立方晶ダイヤモンドでは可能であることを意味している。しかし、コロイドダイヤモンドを自己集合で形成するのは困難である。ダイヤモンド格子中の粒子は四面体配位していることから、1つの手法として、四面体配置の粘着パッチを有する球状粒子を自己集合させる方法が考案された。しかしこの手法には、パッチ付き粒子が最近接粒子に対して交互に配向した四面体結合を確実に選ぶようにするという、立方晶ダイヤモンドに必要な機構が存在しない。今回我々は、粘着パッチが粒子で構成される四面体の面より内側にある、部分圧縮された四面体クラスターを用いることで、パッチ間接着と、必要とされる交互に配向した結合を選択する立体的なかみ合い機構を用いてコロイド立方晶ダイヤモンドを自己集合させられることを示す。フォトニックバンド構造計算によって、得られた格子（直接型と反転型）が、広くて完全なフォトニックバンドギャップなどの有望な光学特性を持つことが明らかになった。自己集合立方晶ダイヤモンド構造中のコロイド粒子は、高度に束縛されていて力学的に安定であるため、懸濁液を乾燥させてダイヤモンド構造を維持することができる。従って、こうした構造は、立方晶ダイヤモンド対称性を持つ高誘電コントラストのフォトニック結晶を形成するのに適したテンプレートとなる。
