準結晶は、結晶とガラスの境界があいまいになる奇妙な固体で、何十年も科学者を困惑させてきました。通常の結晶とは異なり、準結晶の原子配列は繰り返されることはなく、高度な秩序を保ちます。今回初めて、研究者らは量子力学的シミュレーションを使用して、これらの材料が存在する理由を明らかにしました。つまり、これらの材料は一時的に急速に冷却されるのではなく、本質的に安定しているのです。この画期的な進歩により、40 年来の科学の謎が解決され、独自の画期的な特性を備えた人工材料の開発への扉が開かれました。
準結晶：結晶とガラスの間の奇妙な状態
ミシガン大学の研究は、結晶とガラスの間のどこかにあるエキゾチックで珍しい形態の物質が、特定の原子の組み合わせでは実際に最も安定した構造である可能性があることを示唆しています。
この結論は、かつては不可能だと考えられていた固体の一種である準結晶の最初の量子力学的シミュレーションから得られました。結晶と同様に、準結晶には原子が格子状に配置されていますが、そのパターンは従来の結晶のように繰り返されることはありません。新しいシミュレーション手法では、準結晶は結晶と同様、ガラスなどの無秩序な材料との類似性にもかかわらず、本質的に安定であることが示されており、準結晶は通常、溶融物質が急激に冷えたときに形成されます。
スカンジウム亜鉛準結晶の単一粒子には 12 個の五角形の結晶面があります。画像出典：山田ほか（2016年）。 IUCrJ
準結晶はなぜ存在するのでしょうか?
「望ましい特性を持つ材料を設計したいなら、原子を特定の構造に配置する方法を知る必要がある」と、ダウ大学材料科学工学部の初期の助教授であり、本日 Nature Physics に掲載された論文の責任著者である Wenhao Sun 氏は述べた。 「準結晶は、特定の物質がどのように、そしてなぜ形成されるのかを再考することを私たちに強います。私たちの研究が始まるまで、科学者たちはそれらがなぜ存在するのか知りませんでした。」
この発見は、1984 年にイスラエルの研究者ダニエル・シェクトマンがアルミニウムとマンガン合金の研究中に準結晶を観察したときに初めて科学界に衝撃を与えました。彼は、いくつかの原子が、面がつながった 20 面体のサイコロの集合体に似た二十面体構造を形成していることを発見しました。この構造は、準結晶に 5 回の対称性を与えます。つまり、5 つの異なる角度から見てもまったく同じに見えるということです。これは、かつて固体では不可能だと考えられていました。
原子が順番に繰り返さない固体の安定性を計算するために、研究者らは、より大きなバルクからランダムにサンプリングした準結晶スプーンをシミュレートしました。粒子には明確に定義された境界があるため、各ナノ粒子内のエネルギーは量子力学を使用して計算できます。さまざまなスクープサイズにわたって計算を繰り返すことにより、研究者はエネルギー計算をバルク準結晶に推定することができます。画像クレジット: Woohyeon Baek、ミシガン大学太陽研究グループ
論争からノーベル賞まで
当時の科学者は、結晶内の原子は各方向に繰り返される順序でのみ配置できると信じていましたが、5 回対称性によりこのパターンは除外されました。シェヒトマン氏は当初、このようなありそうもない仮説を提案したとして厳しい精査にさらされたが、その後他の研究室が準結晶を合成し、数十億年前の隕石から準結晶を発見した。
最終的にシェヒトマンはこの発見により 2011 年のノーベル化学賞を受賞しましたが、科学者たちは準結晶の形成に関する基本的な疑問にまだ答えることができません。障害となるのは、結晶の安定性を計算するために使用される量子力学的手法である密度汎関数理論が、準結晶には欠けているシーケンス内の無限に繰り返されるパターンに依存していることです。
「材料を理解するための最初のステップは、何が材料を安定にしているのかを知ることですが、準結晶がどのように安定しているのかを知るのは難しいです」と、ミシガン大学の材料科学および工学の博士課程の学生であり、この研究の筆頭著者である Woohyeon Baek 氏は述べています。
通常、特定の材料内の原子は、化学結合が可能な限り低いエネルギーを達成するように結晶に配置されます。科学者はこの構造をエンタルピー安定結晶と呼んでいます。しかし、他の物質はエントロピーが高いために形成されます。つまり、原子はさまざまな方法で配置または振動することができます。
ミシガン大学の研究チーム。各研究者は、従来の結晶には収まらない幾何学的モデルを備えていました。写真、左から右へ: ヴィクラム・ガヴィニ、機械工学および材料科学および工学の教授。 Sambit Das、機械工学の研究員。 Woohyeon Baek、材料科学および工学の博士課程の学生。 Wenhao Sun、ダウ大学材料科学および工学の初期助教授。シボ・タンさんは材料科学と工学の博士課程の学生です。画像クレジット: Marcin Szczepanski、ミシガン工科大学
準結晶: 繰り返しのない秩序
ガラスは、エントロピー的に安定した固体の一例です。これは、溶融シリカが急速に冷却され、原子が瞬時にパターンのない形状に凝固するときに形成されます。しかし、冷却速度を遅くしたり、加熱したシリカに塩基を加えたりすると、原子は石英結晶に整列し、室温で最適な最低エネルギー状態になります。準結晶は、ガラスと結晶の間の不可解な中間体です。それらは結晶のように局所的に規則正しい原子配列を持っていますが、ガラスのように長距離の繰り返しパターンを形成しません。
準結晶がエンタルピー安定特性またはエントロピー安定特性を持っているかどうかを判断するために、研究者らのアプローチは、シミュレートされた準結晶のより大きなブロックからより小さなナノ粒子をすくい出すことでした。次に研究者らは、各ナノ粒子の総エネルギーを計算しました。粒子には明確に定義された境界があるため、無限シーケンスは必要ありません。
準結晶の秘められた力を明らかにする
ナノ粒子内のエネルギーはその体積と表面積に関係しているため、サイズが大きくなるナノ粒子に対して計算を繰り返すことで、研究者はより大きな準結晶内の総エネルギーを推測することができます。このアプローチを使用して、研究者らは、よく研究された 2 つの準結晶がエンタルピーを安定させる特性を持っていることを発見しました。 1 つはスカンジウム - 亜鉛合金、もう 1 つはイッテルビウム - カドミウム合金です。
準結晶のエネルギーを最も正確に推定するには、可能な限り大きな粒子が必要ですが、標準的なアルゴリズムではナノ粒子をスケールアップするのは困難です。原子数が数百個しかないナノ粒子の場合、原子数が 2 倍になると計算時間が 8 倍に増加します。しかし、研究者たちは計算上のボトルネックを回避する方法も見つけました。
材料研究の未来を加速する
「従来のアルゴリズムでは、各コンピュータープロセッサーが相互に通信する必要がありましたが、隣接するプロセッサーのみが通信し、スーパーコンピューターのGPUアクセラレーションを効果的に活用しているため、私たちのアルゴリズムは100倍高速です」と、研究共著者であるミシガン大学の機械工学および材料科学工学の教授であるヴィクラム・ガビニ氏は述べた。
「私たちは現在、ガラスとアモルファス材料、異なる結晶間の界面、および量子コンピューティングビットを可能にする結晶欠陥をシミュレートできるようになりました。」
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