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《過冷金屬プロジェクト前半》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。
1、涼しげな音を響かせる、ガラスと鉄の風(fēng)鈴。ガラスと鉄、この二つの物質(zhì)の違いはどこにあるのでしょうか？高溫に加熱されたガラスは粘度の高い液體狀態(tài)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溫で流し込まれ、冷卻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(gòu)造で見てみましょう。鉄を構(gòu)成する原子は規(guī)則的に並んでいます。これは一般的な金屬の特徴です。ガラスは原子の配列に規(guī)則性がなく、ランダムに並んでいます。鉄も加熱され、溶けた液體狀態(tài)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、まった狀態(tài)で両者の原子配列は大きく異なるのです。いわば、ガラスは液體のようなランダムんの原子配列のまま固まった物質(zhì)なのです。この物質(zhì)を非晶質(zhì)（アモルファス）といいます。１９６０年にこのガラスのような液體狀態(tài)のまま固まる金屬が発見されました、アモルファス合金です。アモルファス合金は液體狀態(tài)の金屬を急速に冷やして、ガラスのように非晶質(zhì)のまま固めた金屬です。これを達(dá)成するためには超高速の急冷技術(shù)が必要でした。しかも、その形狀は粉末狀、細(xì)い線狀のもの、薄いリボン狀に限られていました。これからご紹介する物質(zhì)はアモルファス合金の形狀の限界をはるかに超えた、ま
3、ったく新しい金屬なのです。この金屬に私たちは気體、液體、固體に注ぐ第四の相―過冷金屬―という名前を付けました。この金屬に、これまでなっかた新しく優(yōu)れた性質(zhì)を見出そうと考えているのです。過冷金屬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十萬度、百萬度といった超急冷速度が必要でした。しかし、過冷金屬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卻しても、ランダムが原子配列のまま固まります。過冷卻液體狀態(tài)がアモルファス合金よりも百萬倍から一億倍長(zhǎng)い時(shí)間を保持できる安定な過冷卻液體と、これを冷卻ら
4、れる金屬ガラス。これらを合わせて、私たちは過冷金屬と呼んでいます。私たちの制御グループでは新たな過冷金屬を數(shù)多く見出すことによりそこに共通する現(xiàn)象を探ることから著手しました。そして、金屬―金屬系、金屬―非金屬系に大別される數(shù)百種類の過冷金屬を発見しました。この結(jié)果、これらの過冷金屬に共通する條件を突き止めたのです。その條件とは、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(qiáng)く引き合っていること。これらの三つの條件を満した合金が過冷卻液體を長(zhǎng)い時(shí)間に渡って保持でき
5、るのです。その中でも、過冷卻液體が最も安定なのはパラジウム基合金です。これは、直徑７２ｍｍ、高さ６０ｍｍという、これまでにない大きな金屬ガラスです。このように過冷狀態(tài)を安定に長(zhǎng)く保つためには、この安定性を阻害する結(jié)晶化の仕組みを知らなければなりません。この畫面は、數(shù)千秒もの間、過冷狀態(tài)を保持した液體から結(jié)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。過冷卻液體が結(jié)晶化するのは、その種となる結(jié)晶核の生成とできた結(jié)晶核の成長(zhǎng)。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卻液體中に結(jié)晶が成長(zhǎng)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卻液體狀態(tài)の安定性が極めて低いことから、こうした観測(cè)は不可能でした。しかし、安定性の高い過冷金屬は過冷卻液體狀態(tài)を長(zhǎng)い時(shí)間保持できるため、時(shí)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(jié)果、過冷卻液體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。過冷金屬の安定性は平衡液體、過冷卻液體、ガラス固體、結(jié)晶固體とすべての相が密接に関係しています。制御グループは、それぞれの相狀態(tài)の比熱を測(cè)定することで、過冷卻液體が結(jié)晶化するときの自由エネルギー差を?qū)g験結(jié)果に基づき、導(dǎo)き出すことに成功したのです。
7、つまり、安定性の高い過冷卻液體は結(jié)晶へ変態(tài)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(jié)晶化を推進(jìn)する力、格生成を起こすための駆動(dòng)力に乏しいということです。そして、この小さな駆動(dòng)力が過冷卻液體の安定化をもたらすのです。このように、過冷卻した液體を長(zhǎng)い時(shí)間保持し、これを測(cè)定することによって、過冷卻液體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、過冷卻液體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屬の発見は過冷卻液體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(zhǎng)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著目しなけ
