研究者が結晶に対する私たちの理解を変える

2023 年 5 月 18 日

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ケイティ・マラティーノ著、レンセラー工科大学

クリスタルについて考えるとき、ほとんどの人は虹のプリズムとして機能するサンキャッチャーや、治癒力があると信じられている半透明の石を思い浮かべます。 しかし、科学者や技術者にとって、結晶とは、その構成要素である原子、分子、ナノ粒子が空間内に規則的に配置された物質の一種です。 言い換えれば、結晶はその構成成分の規則的な配置によって定義されます。 一般的な例としては、ダイヤモンド、食卓塩、角砂糖などが挙げられます。

しかし、レンセラー工科大学の化学生物工学部准教授、サンウー・リー氏率いるチームは、ソフトマター誌に掲載されたばかりの研究で、結晶構造が必ずしも規則的に配置されているわけではないことを発見した。 この発見は材料科学の分野を前進させ、半導体、ソーラーパネル、電気自動車技術に使用される材料にまだ実現されていない影響を及ぼします。

結晶構造の最も一般的かつ重要なクラスの 1 つは、ハニカム配置で球の層を積み重ねることによって構成される規則的な球の最密充填構造です。 最密構造を構築するために層を積み重ねる方法は数多くありますが、自然が特定の積層をどのように選択するかは、材料および物理学の研究において重要な問題です。 最密充填構造には、二次元六角形層のランダム積層 (RHCP) として知られる不規則な間隔の成分を含む非常に珍しい構造が存在します。 この構造は 1942 年にコバルト金属で初めて観察されましたが、これは過渡的なエネルギー的に好ましくない状態とみなされてきました。

Lee氏の研究グループは、ポリマーでできたソフトモデルナノ粒子からX線散乱データを収集し、散乱データにはRHCPに関する重要な結果が含まれているものの、非常に複雑であることに気づきました。 その後、レンセラー大学化学生物工学部のパトリック・アンダーヒル教授は、計算イノベーションセンターのスーパーコンピューターシステムである人工知能マルチプロセシング最適化システム（AiMOS）を使用した散乱データの分析を可能にしました。

「私たちが発見したのは、RHCP 構造が安定した構造である可能性が非常に高いということです。これが、RHCP が多くの材料や天然の結晶系で広く観察されている理由です」と Lee 氏は述べています。 「この発見は結晶の古典的な定義に疑問を投げかけます。」

この研究は、RHCP やその他の最密充填構造の形成を可能にする多型性として知られる現象についての洞察を提供します。 多型性を持つ代表的な材料は炭化ケイ素で、電気自動車の高電圧電子機器や防弾チョッキの硬質材料として広く使用されています。 Lee氏のチームの発見は、これらの多型物質が、新たな有用な特性を備えた非古典的ランダム配列を含む、連続的な構造遷移を有する可能性があることを示している。

「柔らかい粒子がどのように固まるのかという問題は簡単そうに見えますが、最も基本的な質問ですら答えるのが難しいのです」と、この研究とは関係のないミネソタ大学ツインシティーズ校のケビン・ドーフマン氏は言う。 「この論文は、面心立方格子 (FCC) 格子と六方最密充填 (HCP) 格子の間の連続的な転移に関する説得力のある証拠を提供します。これは、それらの間に安定したランダムな六方最密充填相が存在することを意味しており、したがって材料科学における重要なブレークスルーとなります」 。」

レンセラー工科大学のシェカール・ガルデ学部長は、「今回の発見には特に満足している。これは、軟質材料の分子レベルの構造を解読することで、材料科学に重要な進歩をもたらす高度な計算の力を示している」と述べた。 「リーとアンダーヒルのレンセラー社での研究は、これらの新素材の多くの技術的応用の機会を開くことも約束しています。」

Lee氏とUnderhill氏には、レンセラー社のJuhong Ahn氏、上海科学技術大学のLiwen Chen氏、ブルックヘブン国立研究所のGuillaume Freychet氏とMikhail Zhernenkov氏が研究に参加した。

詳しくは： Juhong Ahn 他、安定したランダムな秩序によるコロイド結晶の連続遷移、Soft Matter (2023)。 DOI: 10.1039/D3SM00199G

雑誌情報:ソフトマター

レンセラー工科大学提供