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结晶ゲルの叁次元构造
结晶ゲルを构成する个々のコロイド粒子を滑らかな関数（ガウス场）で置き换えることでネットワーク构造の特徴を见やすくした。
© 2017 鶴沢英世、John Russo、Mathieu Leocmach、田中肇

東京大学生产技术研究所の田中肇教授、鶴沢英世大学院生（当時）、John Russo（ジョン?ルッソ）特任助教（当時、現：英国ブリストル大学講師）、フランスのリヨン大学のMathieu Leocmach（マチュー?レオクマック）博士の研究グループは、液体中に均一に分散したコロイド（2ミクロン程度の固体粒子）が、コロイド間の引力により凝集し结晶ネットワークを作る「结晶ゲル」形成の素過程を、共焦点レーザ顕微鏡による一粒子レベル分解能での実時間3次元観察により明らかにしました。

通常のコロイドゲルは、コロイドがランダムな构造のまま凝集して固まった状态ですが、ある条件下において、结晶がつながりあったゲル状态が形成されることが知られていました。しかしながら、どのような条件下で、また、どのような机构でそのような特异な状态が実现されるのかは未解明でした。

研究グループは、この动的な过程を微视的レベルで直接観察することに初めて成功し、その结果、まずコロイドの浓度が高い液体相と浓度の低い気体相に相分离する过程で液体相のネットワークが形成され、その中に结晶核が形成されること、そして、それが成长して液体ネットワークの表面に达し気体相と接触すると、液体相と固体相の饱和水蒸気圧に差があるために、液体相が蒸発し、同时に、気体相の粒子が结晶表面に凝结するという过程が重要となることを発见しました。この过程は、过冷却水と氷晶の混合体を含む云において、氷晶が急速に成长する过程（ベルゲロン过程）と同じであり、冷たい雨の形成の素过程を微视的レベルで観察した初めての例ということができます。このようにして形成された结晶ゲルは、上记の形成过程を反映して滑らかな结晶表面を持っており、また、多孔体を形成し、表面积が极めて大きいため、もし金属原子などでこのような构造が形成されれば、応用上のインパクトも大きいと考えられます。

研究グループは、どのような条件が満たされれば、この过程を実现できるかについての物理的指针も与えました。これまで、このような结晶からなる多孔体は、2成分からなる系を相分离させたのち、一つの相を溶かして取り除くという2段阶の过程で形成されていましたが、今回提案された方法を用いると、一段阶で多孔体を形成できる可能性があり、今后の応用が期待されます。

「これまで、结晶ゲルという状态がどのようにして形成されるのかについては、十分な理解がされていませんでした。今回の研究は、结晶ゲルの中心的な机构が、云の中で起きる氷晶形成过程と同じ机构をもつことを示しています」と田中教授は説明します。「コロイド物理と云や雨の科学という一见関係のない分野に共通のメカニズムが存在しているところに、自然界が物理法则に支配されているというロマンを感じます」と话します。

论文情报

Hideyo Tsurusawa, John Russo, Mathieu Leocmach, and Hajime Tanaka, "Formation of porous crystals via viscoelastic phase separation", Nature Materials Online Edition: 2017/08/01 (Japan time), doi:10.1038/nmat4945 .
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