原子の運動を操作することで金属をより強く、より柔軟にすることができる

地球の地殻は 7 つの主要な地殻プレートに割れており、絶えず互いに滑り、擦れ合っています。その様子は見えませんが、その結果は見ることができます。たとえば、プレートが衝突すると山や火山が噴火し、プレートがばらばらになると谷や海が残ります。

しかし、そのような挙動を示すのは地殻だけではありません。現代社会を動かす上で欠かせない鉄、銅、アルミニウムなどの多くの金属は、小さな結晶片でできています。これらの金属のシートを引っ張ったり押しつぶしたりすると、その小さな片が地殻プレートのように互いに動きます。境界が変化することもあります。

材料科学者たちは、何年もかけて境界の変化を自ら観察しようとしてきたが、今や原子スケールにまでズームインしてその変化を観察できるようになった。サイエンス誌に掲載された研究によると、 3月17日、彼らは、これによって他の研究者が結晶粒子を操作し、金属を製造のためのより優れた構成要素に加工できるようになる可能性があると説明しています。

金属を結晶と表現するのは奇妙に思えるかもしれませんが、宝石や氷と同じように、多くの金属が結晶です。結晶を定義するのは、原子が規則的な幾何学的パターン、たとえば六角形や空間に繰り返される立方体に配置されていることです。一方、固体ガラスは結晶ではありません。その原子は定義された構造を持たず、好きな場所に配置されているからです。

これらのパターンは、都市の街路網のようなものだと思われるかもしれません。しかし、都市の中心部が十分に大きい場合、単一の網目を共有することはまずないでしょう。ニューヨーク、東京、ジャカルタなどの巨大都市は、多くの小さな都市、郊外、地区から構成され、それぞれが独自の角度で網目模様を描いています。

金属のパターンは「多結晶」と呼ばれ、その小さな結晶の構成要素は「結晶粒」と見なされます。結晶粒は同じパターンを共有する場合がありますが、隣接する結晶粒ときれいにつながっているわけではありません。ある結晶粒の原子が別の結晶粒の原子と一列に並んでいなかったり、異なる角度で配置されていたりすることがあります。

さらに、粒子は静止したり固定されたりしているわけではなく、互いにすべり合ったり、ねじれたり、踊ったりしている。材料科学者の用語では、これらすべてを粒界運動と呼ぶ。圧力がかかったときの材料全体の挙動を変えることができる。粒子の配置に応じて、材料はより頑丈になるか、より脆くなる可能性がある。

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研究者たちは何十年もの間、粒界の動きを研究しようとしてきました。問題は、それを行うには、物質中の個々の原子を調べるために十分に拡大する必要があったことです。

近年、透過型電子顕微鏡のおかげで、これまで以上にその謎に迫ることができました。透過型電子顕微鏡は、物質の薄片に電子を照射してスキャンし、反対側を通過する形状を観察するものです。

これは、2 つの平面を持つ立方体が互いにねじれて離れていくような単純な粒界の場合に有効です。しかし、ほとんどの粒界ははるかに複雑です。ギザギザしていたり​​、奇妙な角度で金属片を切断している場合があります。「このような粒界での原子の動きを観察し、追跡し、理解するのは非常に困難です」と、ジョージア工科大学の材料工学者でScience論文の著者の 1 人である Ting Zhu 氏は言います。

朱氏と彼の同僚は、希少であるにもかかわらず、風力タービンのブレード、コンピューターのハードディスク、自動車の触媒コンバーターに頻繁に使用されているプラ​​チナを研究した。彼らは、わずか数十億分の1メートルの厚さのプラチナの断面を採取し、電子顕微鏡で調べた。彼らはまた、自動原子追跡装置（一種のソフトウェア）を使用して、顕微鏡から出てくる画像を調べ、原子にラベルを付けた。これにより、研究者は個々の原子が時間の経過とともにどのように動いたかを追跡することができた。

プラチナを分析すると、予想外のことがわかった。結晶粒が移動して境界が変化すると、端にある原子が別の結晶粒に移動することがあるのだ。境界は曲がり、より多くの原子を収容できるように変化する。

チュー氏は原子の動きをマーチングバンドのメンバーの動きと比較する。「バンドのメンバーの1列が隣の列を平行に追い越すと、2列のバンドのメンバーが1列に融合します」と同氏は説明する。

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プラチナはこの分野では異例の輝きを放つ存在のように思えるかもしれないが、チュー氏は彼らの研究は他の金属にも応用できると語る。鋼鉄、銅、アルミニウムの粒子を改良することで、これらの金属の耐久性と柔軟性を同時に高めることができるのだ。

これは、材料科学者が今後検討できる事項です。「このような微粒子多結晶を設計することは、より強力なエンジニアリング材料を作るための重要な戦略です」とチュー氏は言います。

チュー氏は、複数の元素の原子を含む合金を含むほとんどの金属で、このような粒界運動が見られると予想しているという。それを確かめるには、材料科学者はそれぞれの原子にズームインし、アルミニウムのアクロバット運動と銅内部のダンスとの違いを研究する必要がある。