結晶性固体の新しい秩序

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結晶性固体の新しい秩序

大学院工学研究院・大学院工学院 准教授

髙倉

た か く ら

洋礼

ひ ろ ゆ き

(工学部応用理工系学科応用物理工学コース)

専門分野 : 結晶物理工学,回折結晶学

研究のキーワード : 結晶,準結晶,金属,準周期構造,ペンローズタイリング

HP アドレス : http://www.eng.hokudai.ac.jp/labo/crystal/

第3の固体?-準結晶-

物質には、固体・液体・気体の3つの状態があることは、みなさんはよくご存じのこと

でしょう。その中の1つであり、我々の身のまわりにある物を構成する固体は、従来、結

晶と非晶質(アモルファス)とに分類されてきました(図1)。結晶は、原子や分子の集

団がまとまって1つの単位となり、それが上下左右に繰り返し積み重なった規則正しい構

造をしています。このような繰り返しのことを周期性と呼び、原子や分子は長距離秩序を

もって整然と配列します。一方、非晶質には繰り返しがなく、原子配列が不規則な構造を

しており長距離秩序を持ちません。固体中の原子配列を調べる一番古くて、いまなお有力

な手法は回折です。レントゲンがX線を発見したのは1895年ですが、その17年後の1912

年には、結晶によるX線の回折現象が発見され、結晶性物質の原子構造を調べる道が拓か

れました。NaCl やダイヤモンドなどの簡単な原子構造を持つ結晶から、さらには、非常

に複雑で巨大な分子構造を持つ生体高分子(タンパク質やDNAなど)の結晶の構造を解

明することが可能となったのはこのためです。人類が物質のミクロな構造に迫れるように

なり、それらの知見に基づいた物質・材料の開発が可能となってきました。

固体の原子配列の秩序形態は、結

晶と非晶質しかないことが長い間常

識とされ、教科書にもそのように記

されていましたが、実はそれは間違

いだったのです。結晶にX線などの

ビームを照射すると、原子配列の周

期性と長距離秩序を反映して、鋭い

回折スポットを伴う回折パターンが

観測されます。結晶の周期性のため、

その回折パターンは、1、2、3、4、6回の回転対称だけを示すと信じられてきました。

しかし回折パターンが5回の回転対称を示し、なおかつ鋭い回折スポットを示す物質-準

結晶-が、1982年に見つかったのです(図2)。この準結晶の発見者であるイスラエルの

シェヒトマン教授には2011年ノーベル化学賞が授与されました。ちなみにこの発見により、

結晶とは「原子や分子が、上下左右に周期的に積み重なった構造をもつもの」と定義され

ていたものから、「X線などのビームを照射すると、鋭い回折スポットを伴う回折パターン

を示すもの」と変更されました。したがって現在では、準結晶は分類上結晶の範疇に入り

出身高校:大分県立日田高校 最終学歴:九州大学大学院理学研究科 マテリアル

結晶 非晶質

図1 結晶と非晶質における原子配列の違い

(2)

ますが、従来の結晶とは異なる原子配列の秩序を持つものなのです。半導体をはじめとす

る結晶性物質の多くの性質は、周期的な原子配列を前提とした物理モデルにより理解され

ています。準結晶では、原子が準周期的に配列するため、このアプローチが使えません。

そのためいまだに多くのことが未解明なのです。

ど ん な 研 究 を し て い る

のですか?

結晶は周期性をもつため

にそのミクロな原子構造を

知ることができます。一方、

準結晶は準周期性のために、

原子構造がどうなっている

のかは、実はまだよく解明

されていません。我々は、

準結晶を高次元で周期性を

持つ高次元結晶として取り

扱うことにより、その原子

構造を明らかにしています

(図3)。そして、その原子

構造に基づいて、準結晶は

従来の結晶や非晶質とはど

のように異なるかを明らか

にしていこうとしています。

こ れ は 準 周 期 性 を も つ 物

質・材料の開発のための基

礎です。

今後の目標はなんですか?

準周期性は物質に新しい性質を発現させます。このことは、電気が流れやすいアルミニ

ウムや銅、鉄を混ぜ合わせると、電気を通しにくい金属の準結晶ができることから明らか

です。しかし、準周期性を制御して有用な性質を得る段階に至るには、原子構造も含め、

まだまだ分からないことばかりです。近年の物質・材料研究では、従来の物質設計概念を

超える新規物質が望まれています。準結晶は、通常の結晶では見られない性質が期待され

る準周期性という新しい秩序をもった固体です。読者の皆さんのような若い世代とともに、

準周期性を基軸とした非周期結晶工学を新たに創成していきたいと考えています。

参考書

(1) 竹内・枝川・蔡・木村(共著),『準結晶の物理』,朝倉書店(2012)

図2 Zn-Mg-Ho正20面体準結晶のX線ラウエパターン(左)とAl-Ni-Ru正 10角形準結晶の電子回折パターン

図3 Yb-Cd正20面体準結晶の構造モデル (RTH、AR、ORはクラスター 構造単位を示し、黒枠内に対応する近似結晶でのクラスター配列を示す。)

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参照

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