東大,壁面上に単結晶を形成する物理因子を解明

東京大学は,一粒子レベルで観察可能な荷電コロイドをモデル系として用い,実験と数値シミュレーションにより,壁面から結晶が生じ,成長する不均一核形成において,液体で形成される構造と結晶の構造との相性,さらには,平坦な壁面における構造選択と液体中に形成される方向性秩序の整合性が,単結晶形成に重要な役割を示すことを明らかにした(ニュースリリース)。

単結晶の形成は,フォトニック結晶形成などへの応用が期待されているコロイド結晶に限らず,タンパク質などの系での結晶成長や機能発現と密接に関係しており,応用面でも多くの重要性を持っている。

しかし,その結晶成長機構についてはこれまで,古典核形成理論にみられるように,密度場の周期構造形成(並進秩序化)に起因した核の形成とその成長として理解されてきた。したがって,液体の構造と結晶の構造のかかわりなどの微視的な視点は欠如しており,特に,粒子の配置の方向性の重要性はこれまでほとんど考えられてこなかった。

研究グループは,モデル実験系として荷電コロイド系を用い,共焦点レーザ顕微鏡により1粒子レベルで全粒子を実時間で捕捉することにより,結晶化の微視的な過程を詳細に観察することに成功した。とくに,平坦な壁面からの不均一核生成・成長について実験と数値シミュレーションの双方を用いて,その物理的機構について調べた。

その過程で,従来の密度相関としては記述されない,粒子の配置の方向性の秩序(ボンド配向秩序変数)を荷電コロイド系に適応できるよう拡張することで,過冷却液体中から特定の配向秩序が成長することを見出した。

更に,界面エネルギーが有利になるような壁面へ”濡れやすい”結晶面の選択が,不均一核形成においては非常に効率よく起こり,この壁面へ濡れやすい構造と過冷却液体中の配向秩序の性向が揃ったときに単結晶が形成されやすいこと,逆にそれらが一致しない場合には単結晶は形成されず,多結晶的な成長が起こることを見出した。

さらに,このように過冷却液体中の秩序がエネルギー的に最も安定な結晶相と整合しない場合には,安定な結晶相は必ずしも選択されず,液体からの構造変換が起こりやすい準安定な構造が動力学的に選択されていくということも明らかとなった。

この成果は,基板の選択や液体の状態が単結晶形にどのような役割を示すかを示したもので,壁面からの不均一核形成を用いた単結晶形成に新たな指針を与えるものとして期待できるとしている。

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