北海道大学、香港城市大学(中国)、アルゴンヌ国立研究所(米国)、オーストラリア原子力科学技術機構(豪州)4カ国の研究機関が共同で、大型の研究施設の量子ビームを駆使して昇温中のアモルファス合金(金属ガラス)のナノスケールの構造変化をその場観察し、示差走査熱量測定における異常発熱のピークが過冷却液体領域に潜在しているアモルファス相(物質内部の原子配列のランダム領域)であることを初めて解明した。

 アモルファス合金とは、ランダムに原子が配列している非結晶状態の合金。このアモルファス合金が、示査走査熱量測定(物質の熱物性測定法)により示されるガラス転移温度(注)と結晶化温度の間のブロードな(幅広い)異常発熱ピークは、これまで多くの金属ガラス材料において報告されてきた。しかし、最良のガラス形成合金であるPd-Ni-P金属ガラスの40年に及ぶ長い研究の間においても、この異常発熱の要因は謎とされてきた。

 そこで、共同研究グループは、大型の研究施設(シンクロトロン放射光、原子炉小角中性子散乱、超高圧電子顕微鏡)の異分野の量子ビームを駆使して、昇温中のアモルファス合金(金属ガラス)のナノスケールの構造変化を観察(その場観察)した。その結果、アモルファス合金の示差走査熱量測定における異常発熱のピークが過冷却液体領域に潜在しているアモルファス相に起因することを解明した。

 今回の研究成果は、熱処理による金属ガラスの構造操作により新奇材料開発への道を示すものという。また、これを契機に国際共同研究のより一層の推進や超高圧電子顕微鏡の国内外への共用利用が促進するものと期待される。

(注)物質によっては、急冷により結晶化温度(融点)以下でも液体状態を保ち(過冷却液体状態)、さらに温度を下げると結晶化せずにランダムな原子配列のまま個体(ガラス状態)に変化する。このときの温度をガラス転移温度と呼ぶ。

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大学ジャーナルオンライン編集部

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