東北大ら，光学材料へコロイド結晶の結晶多形を実現

東北大学と金沢大学は，コロイド結晶においてヘテロエピタキシャル成長を用いることで結晶多形の形成を実現し，1粒子分解能のその場観察によって多形転移が核形成や結晶成長に与える効果を明らかにした（ニュースリリース）。

化学組成が同じで結晶構造が異なる物質を結晶多形といい，物性や化学的性質が異なるため，その中から所望の構造を選択的に成長させることは材料や医薬品の創製において重要なポイントとなる。しかしながら，多形間に転移をともなう結晶化の詳細なプロセスは未解明であり，分子や原子スケールでの描像が求められている。

研究では，ヘテロエピタキシャル成長により大きさが1μm以下（サブミクロン）のコロイド粒子が規則配列したコロイド結晶の結晶多形の形成を実現し，その場観察によって核形成や結晶成長中の多形転移の挙動を明らかにした。

これが核形成以前の状態であるクラスターの安定性や晶出結晶のサイズが多形転移を引き起こす重要な因子であり，それが最終的に選択される結晶多形の選択に寄与していることを明らかにした。さらに，各多形におけるクラスター形態の違いに着目した多形制御を実証した。

ヘテロエピタキシャル成長を利用したコロイド結晶の育成法は，競合する結晶多形の存在下で非古典的な結晶化挙動を解明するための優れたモデル系であることが明らかとなった。

この非古典的結晶化挙動の理解をさらに深化させるためには，多形転移が核形成および結晶成長の動的挙動に与える定量的な影響を精査することが必要。それらの結果を実際の原子・分子系の結晶成長プロセスと照らし合わせることで非古典的結晶化挙動の包括的な理解が進むことが期待されるという。

また，研究では球状コロイド粒子を使用したが，粒子形状や表面化学特性が非等方的な粒子を用いることで構造の多様性が拡大し，より多様な結晶多形が生成される可能性がある。複数の結晶多形が共存する現実の複雑な系を再現できることが期待されるという。

また，この研究成果はコロイド結晶が有する光学材料への応用へも寄与すると期待される。異なる構造を持つ結晶が単一の粒子から自然と自己組織化するこの研究手法は，複数の異なる特性を兼ね備えた材料を容易に生成する新たな粒子集積化技術としての可能性を示す。研究グループは，この手法により，コロイド粒子を用いたナノ構造体の新たな応用の道を開拓することが期待されるとしている。