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结晶が変换される过程
結晶面の滑りによるBCC構造からHCP構造へと结晶が変换される过程
© 2017 荒井俊人、田中肇

東京大学生产技术研究所の田中肇教授、同工学系研究科の荒井俊人助教（研究当時、同大学院生）らの研究グループは、基板などの平面（壁面）から単结晶（単一のドメインからなる結晶）を育てるために必要な要因を実験と数値シミュレーションにより明らかにしました。本成果は基板と液体の構造の相性が、単结晶形成にどのような役割を示すかを示したもので、壁面からの単结晶形成に有用な指針となると期待されます。

単结晶の形成は、フォトニック结晶（电子を散乱する半导体のように光を散乱する光の波长程度の周期构造）の形成などへの応用が期待されているコロイド结晶（ミクロン程度の固体粒子が液体に分散したもの）に限らず、タンパク质などの结晶成长や机能の発现と密接に関係しており、応用上も重要です。しかし、単结晶が作られる机构については、これまで液体の构造と结晶の构造のかかわりなどの微视的な视点に基づく理解が欠如していました。

こうした状况の中、研究グループは、荷电コロイドを一つの実験材料として用いて、全粒子の一つ一つの振る舞いを直接追いかけることにより、平坦な壁面から単结晶が作られる过程を観察するとともに、数値シミュレーションと比较することで、液体中の方向秩序（一つの粒子の周りの粒子配置の规则性）と壁面に作られる结晶の构造の相性、さらには、平坦な壁面の傍で好まれる液体の粒子配置と、液体中に形成される方向性秩序の整合性が重要な役割を示すことを明らかにしました。さらに、単结晶が作られやすくなる条件と反対に多结晶的な结晶が作られやすくなる条件も见出しました。

「これまで、液体の局所的な构造化が结晶核形成にどのような役割を果たすかについては十分な理解がされていませんでした。今回の研究は、液体自身の局所的な构造化と壁面がもたらす液体の密度の変调がうまく整合すると欠陥の少ない単结晶が形成されることを示しています」と田中教授は説明します。「この知见が、コロイドのフォトニック结晶の形成やタンパク质の良质な结晶成长に役立てば」と期待を寄せます。

论文情报

Shunto Arai, Hajime Tanaka, "Surface-assisted single-crystal formation of charged colloids", Nature Physics Online Edition: 2017/02/21 1:00 (Japan time), doi:10.1038/nphys4034.
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