过冷金属プロジェクト前半

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1、涼しげな音を響かせる、ガラスと鉄の風鈴。ガラスと鉄、この二つの物質の違いはどこにあるのでしょうか？高温に加熱されたガラスは粘度の高い液体状態にあります。これを自在に膨らまし、空気をさばして冷やすと固まります。鉄もまたすなてできた型枠の中に高温で流し込まれ、冷却することによって固まります。ガラスと鉄の違いを原子構造で見てみましょう。鉄を構成する原子は規則的に並んでいます。これは一般的な金属の特徴です。ガラスは原子の配列に規則性がなく、ランダムに並んでいます。鉄も加熱され、溶けた液体状態ではガラスと同じように、原子がランダムに並んでいますが、冷えて固

2、まった状態で両者の原子配列は大きく異なるのです。いわば、ガラスは液体のようなランダムんの原子配列のまま固まった物質なのです。この物質を非晶質（アモルファス）といいます。１９６０年にこのガラスのような液体状態のまま固まる金属が発見されました、アモルファス合金です。アモルファス合金は液体状態の金属を急速に冷やして、ガラスのように非晶質のまま固めた金属です。これを達成するためには超高速の急冷技術が必要でした。しかも、その形状は粉末状、細い線状のもの、薄いリボン状に限られていました。これからご紹介する物質はアモルファス合金の形状の限界をはるかに超えた、ま

3、ったく新しい金属なのです。この金属に私たちは気体、液体、固体に注ぐ第四の相―過冷金属―という名前を付けました。この金属に、これまでなっかた新しく優れた性質を見出そうと考えているのです。過冷金属はこれまでのアモルファス合金と固まり方が大きく違います。アモルファス合金は一秒間に十万度、百万度といった超急冷速度が必要でした。しかし、過冷金属は一秒から十秒をかけて一度下げるという極めてゆっくりした速度で冷却しても、ランダムが原子配列のまま固まります。過冷却液体状態がアモルファス合金よりも百万倍から一億倍長い時間を保持できる安定な過冷却液体と、これを冷却ら

4、れる金属ガラス。これらを合わせて、私たちは過冷金属と呼んでいます。私たちの制御グループでは新たな過冷金属を数多く見出すことによりそこに共通する現象を探ることから着手しました。そして、金属―金属系、金属―非金属系に大別される数百種類の過冷金属を発見しました。この結果、これらの過冷金属に共通する条件を突き止めたのです。その条件とは、まず三種類以上の元素を混ぜ合わせたものであること、それらの元素の互いの大きさに１２パーセント以上の差があること、それらの元素同士が強く引き合っていること。これらの三つの条件を満した合金が過冷却液体を長い時間に渡って保持でき

5、るのです。その中でも、過冷却液体が最も安定なのはパラジウム基合金です。これは、直径７２ｍｍ、高さ６０ｍｍという、これまでにない大きな金属ガラスです。このように過冷状態を安定に長く保つためには、この安定性を阻害する結晶化の仕組みを知らなければなりません。この画面は、数千秒もの間、過冷状態を保持した液体から結晶核が生成してくる様子をリアルタイムに捉えた初めてのものです。過冷却液体が結晶化するのは、その種となる結晶核の生成とできた結晶核の成長。この二つのプロセスが必要と言われています。また、これはラジウム基合金の過冷却液体中に結晶が成長していく様子を捉

6、えたものです。アモルファス合金は過冷却液体状態の安定性が極めて低いことから、こうした観測は不可能でした。しかし、安定性の高い過冷金属は過冷却液体状態を長い時間保持できるため、時間に伴うダイナミックな変化を観察できるようになったのです。この結果、過冷却液体の安定性を定量的に扱うことができるようになりました。過冷金属の安定性は平衡液体、過冷却液体、ガラス固体、結晶固体とすべての相が密接に関係しています。制御グループは、それぞれの相状態の比熱を測定することで、過冷却液体が結晶化するときの自由エネルギー差を実験結果に基づき、導き出すことに成功したのです。

7、つまり、安定性の高い過冷却液体は結晶へ変態するときの自由エネルギー差が極めて小さいことが分かりました。この自由エネルギー差の小ささは結晶化を推進する力、格生成を起こすための駆動力に乏しいということです。そして、この小さな駆動力が過冷却液体の安定化をもたらすのです。このように、過冷却した液体を長い時間保持し、これを測定することによって、過冷却液体の安定性を決定する因子を突き止めたです。さらに、得られた知見を用いて、過冷却液体の安定性を積極的に制御をできるようにまでなったのです。高い安定性を持つ過冷金属の発見は過冷却液体の安定性の定量化と制御を可能に

8、しました。しかし、そのメカニズムを明らかにするためには、核生成の成長に見られるように原子の並び方や原子一つ一つの振る舞いにまで着目しなけ