要約:
カリフォルニア大学ロサンゼルス校 (UCLA) 率いる研究チームは最近、結晶形成に関する新しい研究を発表しました。科学者たちは初めて、三次元原子イメージング技術を使用して結晶核生成プロセスを原子ごとに観察し、古典理論で説明されるような、結晶内部の秩序構造と周囲の無秩序な物質との間に明確な境界がないことを発見した。この発見は、物質の相転移中に結晶がどのように形成されるかについての根本的な理解を変える可能性があります。
約 1 世紀にわたり、科学者たちは液体の凍結や気体の凝縮などの相変化プロセスを説明するために古典的な核生成理論に依存してきました。この理論では、結晶核として知られるいくつかの小さな規則的な領域が最初に物質の内部に形成され、その後これらの結晶核が成長を続け、最終的には完全な結晶を形成すると考えられます。この理論を支える核となる方程式は、何千もの実験によって裏付けられています。
しかし、研究者が三次元空間での結晶形成を原子ごとに観察したところ、結晶核の実際の構造は古典的なモデルが予測したものとは異なっていました。研究チームは、複数の金属元素で構成される複雑な合金ナノ粒子を使用し、形成のさまざまな段階で結晶核を凍結する方法を開発しました。これにより、通常は非常に急速に起こるこのプロセスを観察できるようになりました。
研究者らは、秩序のある結晶から周囲の無秩序な物質への移行が、明確な境界線を伴って突然起こるのではなく、徐々に起こることを発見しました。 UCLAの物理学と天文学の教授であり、カリフォルニア・ナノシステム研究所の会員であり、論文の責任著者でもあるJianwei "John" Miao氏は、結晶核は古典的な核生成理論で説明されるような均一な内部構造や明確な境界を持たないと述べた。逆に、各結晶核の中央領域は最も結晶性が高い。境界に近づくほど原子の配列は乱れ、連続的な勾配を形成します。
この現象を説明するために、研究チームはより複雑な「勾配核生成経路モデル」を提案しました。この新しいモデルは古典的な核生成理論を覆すものではなく、むしろそれを拡張します。ミャオ氏は、古典理論は実際には新しいモデルの特殊なケースとみなすことができる、と述べました。この特殊なケースを新しい方程式に当てはめれば、古典的な核生成理論とまったく同じ結果が得られるのです。しかし、実際の実験では、研究者らは明確な原子スケールの境界を観察することはなく、代わりにこの勾配構造を繰り返し観察しました。
核生成プロセスは、雲液滴の形成や工業生産などの自然システムおよび工学システムに広く存在します。したがって、このプロセスを再理解することは、複数の研究分野に影響を与え、新しい技術開発の参考になる可能性があります。
結晶形成のさまざまな段階を捉えるために、研究者らはまずナノ粒子を華氏 3,000 度 (摂氏約 1,649 度) 以上に加熱し、次に数百分の 1 秒で室温まで急速に冷却しました。急速冷却は結晶形成プロセスを開始し、同時に異なるナノ粒子の結晶核をそれぞれの異なる発達段階に留まらせます。
ミャオ氏は、データ収集に必要な時間は核生成プロセス自体よりもはるかに長いため、研究者はさまざまな段階で核生成現象を研究する前に、まず結晶形成プロセスを「凍結」する必要があると説明しました。
研究チームはその後、原子電子断層撮影法を使用して各ナノ粒子を原子ごとに三次元再構成し、高度な統計解析を使用してさまざまな領域の秩序度を定量化しました。データセット全体には、10 個未満の原子から 1,000 個を超える原子までのサイズの 8,000 個を超える原子核が含まれています。
研究者らは、これらの原子核で同じパターンを繰り返し観察しました。原子の秩序度は中心領域で最も高く、表面に向かって徐々に減少しました。結晶核が成長し続けると、その中心領域の秩序度はさらに増加します。
これらの勾配構造は、結晶核の形成に必要なエネルギーについての研究者の理解を変えることもあります。古典的な核生成理論では、結晶核は明確な最小エネルギー要件、いわゆるエネルギー障壁を克服する必要があると考えられています。十分なエネルギーを持った少数の結晶核だけがこの「壁」を越えることができます。
しかし、実験結果によると、核生成プロセスは一度にエネルギー障壁を越えることはなく、複数の中間段階を経て徐々に完了することがわかっています。ミャオ氏はそれを壁を登ることに例えた。古典的な理論では、結晶核は壁を直接登らなければならないと考えられているが、研究結果は、自然はより効率的な方法、はしごを一歩ずつ登って、エネルギー障壁を克服するために複数の中間状態を使用するという方法を採用した可能性があることを示している。研究チームは、新しい勾配核形成経路モデルがこのプロセスを記述し、結晶核がより効率的に形成される理由を説明できると考えています。
完全な相変化プロセスには、異なる結晶核が互いに結合することも必要です。研究チームはまた、この過程で予期せぬ現象も発見した。つまり、互いに近くにある多くの結晶核は、結合する前にすでにほぼ同じ方向を向いており、最終的に結合しやすくなるのだ。
ミャオ氏は、核の多くが合体する前に既にほぼ揃っていたのは驚くべきことだと語った。これは、より低いエネルギーの形成経路を反映している可能性がありますが、自然が物質を組織する方法についてまだ探求すべきことがたくさんあることも示しています。
この実験で使用された高エントロピー合金と中エントロピー合金は、約 20 年前に登場し始めたばかりです。このような材料は、単一の主元素が大半を占める鋼などの従来の合金とは異なり、ほぼ同じ割合で混合された複数の金属元素から作られています。それらの高度に混合された原子構造は、強度や柔軟性などの特性の珍しい組み合わせを生み出すことができ、より効率的で耐久性のある化学反応触媒を作成するために使用することもできます。
これらの材料の核形成プロセスを理解することは、研究者が材料をより適切に設計および開発するのに役立つ可能性があるとミャオ氏は述べています。同時に研究チームは、このモデルは他の核生成システムにも広く適用できると考えています。
核生成は自然界や人工システムにおいて遍在する現象であるため、この研究は物理科学、気候モデリング、食品、製薬、半導体、エレクトロニクスなどの多様な分野に影響を与える可能性があります。今回使用された原子イメージング法は、核形成プロセスがどのように展開するかを調査するための新しいツールを研究者に提供する可能性もあります。
ミャオ族にとって、この研究のより重要な意義は、科学界が相変化中に物質がどのように組織化されるかを再考するよう促す可能性があることです。同氏は、研究チームはこの研究が核生成現象に対する研究者の理解を変えると信じており、将来の教科書に最終的にはこの新しい理解が反映されることを期待していると述べた。
この研究は、「原子電子トモグラフィーによって明らかにされた高エントロピー合金の結晶核生成と成長」と題され、2026 年 8 月 25 日にジャーナル Nature Materials に掲載されました。この研究は主に、米国エネルギー省科学局基礎エネルギー科学プログラムの材料科学工学部門によって支援されました。
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