ユニ ナノダイヤの芯で、ダイヤモンドは実際に何をしているか。

三菱鉛筆は2009年、芯にナノダイヤモンドを配合したシャープペンシル替芯「ユニ ナノダイヤ」を発売した。製品ページの説明は一文に尽きる。「芯にナノダイヤを配合することで、筆圧を高めても折れにくく、なめらかにくっきり書ける」。黒鉛の棒の中でダイヤモンドの粒子が物理的に何をしうるのか、そしてその結果がほかの高級芯を実際に上回るのかを知りたかった。

第1節ポリマー芯は何でできているか

現代の細い芯は、木軸鉛筆のような粘土と黒鉛の芯ではない。黒鉛の板状粒子を樹脂で結合して押し出し、不活性雰囲気で焼成して樹脂を炭化させ、硬いガラス状炭素の骨格にする。最後に油を含浸させて滑りを与える。0.3 mmの棒が折れずにいられるのは、この骨格があるからである。

焼成には代償がある。樹脂から揮発分が抜けると、骨格の中に微小空隙が散らばって残る。芯は脆性材料であり、脆性材料は最も大きな欠陥から壊れる。グリフィスの条件によれば、亀裂を進展させるのに必要な応力は欠陥寸法の平方根に反比例して下がる。したがって折れにくさを決めるのは、材料の平均的な性質よりも焼成で残った空隙のほうである。

第2節ダイヤモンドはどこに入るのか

爆轟法ナノダイヤモンドは密閉容器内で爆薬を爆発させて作られ、粒径はおおむね5 nm前後、いずれにせよ10 nm未満である。これだけ小さければ、板状粒子の間のバインダーに入り込み、焼成で開いたままになるはずの空隙を埋めることができる。

第3節なぜ折れにくくなるのか

筆記中、突き出た芯はたわみ、引張側では見つかった欠陥が開く。充填材のない芯では、亀裂は空隙から空隙へ最短経路をたどって走りうる。ダイヤモンドは既知の材料の中でも屈指の剛性をもち、ヤング率はおよそ1,000 GPaである。亀裂の経路に硬い粒子があると、亀裂は偏向するか先端で止められる。回り道のたびに破壊エネルギーが消費され、発生した亀裂の多くが芯を横切る前に止まる。

第4節スケールの隔たり

添加物がどれほど小さいかを見ておくとよい。対数目盛で見ると、ナノダイヤモンドの粒子は黒鉛の板状粒子のおよそ1000分の1、芯そのものの約10万分の1である。この隔たりがあるからこそ、線をざらつかせずに空隙を埋められる。粒子は紙や指先が感じ取れる大きさをはるかに下回っている。

第5節なめらかさ：ボールベアリングとしてのダイヤモンド

なめらかさの主張には、トライボロジーからの独立した裏づけがある。ナノダイヤモンドは潤滑油の添加剤として市販されており、表面の凹凸が接触するほど近い境界潤滑の領域で摩擦と摩耗を下げる。ほぼ球形で極めて硬い粒子が、すべり接触の一部を転がり接触に変え、凹凸を研磨して均すのである。

筆記線はまさにこの種の境界潤滑接触である。黒鉛の板状粒子どうし、そして紙の繊維との間でせん断が起こり、含浸された油が潤滑剤になる。機構がきれいに移し替えられるという点で、たいていの宣伝用の化学よりも筋がよいと私は考える。

第6節線、品ぞろえ、価格

緻密で均一な芯は黒鉛を均等に削り出すはずで、芯が減っても濃さがむらにならず安定するはずである。ただし実際には、濃さを決めるのは添加物よりもはるかに硬度記号のほうであり、この主張だけを理由に芯を選ぶことはしない。

実用上の利点はもっと明快である。芯径は5種類、0.5 mmには4Hから4Bまでの全硬度がそろい、どの品番も1本220円である。エコマーク認定品でグリーン購入法にも適合している。消せるカラー芯のナノダイヤもあり、書き込みや注釈に便利である。

第7節主張と独立した比較

三菱鉛筆はナノダイヤについて定量的なデータを一切公表していない。曲げ強度も、摩擦係数も、摩耗率もない。最もよく引用される独立の比較は、2009年にDave's Mechanical Pencilsが行った、もう一つの国産高級ポリマー芯であるぺんてる「Ain」との直接比較である。

入手性にも問題がある。海外の販売店の一つは、ナノダイヤがユニの「Smudge-Proof」芯に置き換えられつつあると記載している。一方、三菱鉛筆の国内カタログには現在も黒芯27品番がすべて載っている。

第8節私の評価

一般的な芯と比べれば、ナノダイヤの利点は本物であり、それぞれの背後にある物理も筋が通っている。ほかの高級ポリマー芯と比べると、ダイヤモンドは良い発想ではあるが、測定できる差をもたらすことはまだ示されていない。私なら、0.3 mmという細さ、0.5 mmの全硬度、あるいは消せるカラー芯を目当てに選ぶ。折れと減りだけが気になるのなら、公開されている唯一の証拠に照らして、ぺんてる Ain は少なくとも同等である。