東大ら,ガラスのドミノ倒し的結晶化を解明

東京大学,中国復旦大学,中国北京大学,香港中文大学は,コロイド分散系の結晶化過程の一粒子レベルでの実時間観察と数値シミュレーションにより,どのような条件下で,またどのような機構で低温高速結晶化が実現するのかを明らかにした(ニュースリリース)。

ある条件下においてガラス状態にある物質が結晶化することが知られている(脱硝と呼ばれる)。

脱硝が起きると,透明であるはずの光ファイバーに濁りが生じたり,人体への吸収の良いガラス状態で作成された薬が,保存中に結晶化し吸収が悪くなるなどの問題を引き起こす。しかし,分子がほとんど動けないような低温状態でどうして結晶化が起こるのかは未解明だった。

液体の温度を低温に急激に下げると,液体中の分子や原子の拡散が劇的に遅くなり,そのため結晶化が阻害されガラス化する。こうして形成されたガラス状態は熱平衡状態にはないが,極めて高い安定性を持つと考えられてきた。一方で,低温において一見安定なガラス状態にある物質が結晶化することがあるが,その機構は未解明であった。

研究グループは,拡散がほとんど起こらないような深い過冷却下の荷電コロイド系における高速結晶成長を,共焦点レーザー顕微鏡を用いて一粒子レベルで実時間三次元観察することに成功した。さらに,数値シミュレーションの結果,理論的な考察と合わせることで,結晶化の物理的なメカニズムを微視的レベルで明らかにすることに成功した。

具体的には,低温での結晶化が,2つの結合したステップで構成される,拡散を伴わない秩序化の繰り返しにより起こることを発見した。すなわち,結晶表面に形成される結晶前駆体構造からなる界面の秩序化により結晶化が進行し,界面がステップ状に前進した後,新たに形成された結晶相の内部に残された欠陥が修復され,その修復が終わり秩序の高い界面が再び形成されるとまた最初のステップに戻るという形で,この2つの過程が繰り返される。

前者の過程は拡散を伴わない協同的なプロセスであり,後者の過程は結晶品質の制御に関わる。さらに,結晶成長界面に接触している秩序の高いガラス状態の機械的不安定性が,このドミノ倒しのような繰り返し機構による低温高速結晶成長を可能にしていることを発見した。

これらの発見は,結晶化の基本メカニズムの深い理解に貢献するのみならず,ガラスの安定性向上や結晶品質の制御に関する応用にも役立つと考えられ,研究グループは,ガラスや結晶に関連した広範な分野に大きな波及効果が期待されるとしている。

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