大阪大学大学院基礎工学研究科の中村暢伴助教らの研究グループは、コロイドガラスと呼ばれる材料に対して周波数を変えながら振動を与えると、特定の周波数において結晶化が急速に進展する現象を発見した。

 固体を加熱すると固体中にはさまざまな周波数の原子振動・分子振動が励起されて結晶化が生じる。一般に固体を振動させると、特定の周波数で振動振幅が大きくなるが,この周波数は固体の形状・大きさで決まる。

 研究グループは,不規則な原子・分子配置とみえるガラス内には,原子・分子の充填率にばらつきがあり、疎・密な領域の大きさによってそれぞれの領域が特定の周波数で強く振動していると推定し、その周波数で振動させれば加熱せずに結晶化が可能と考えた。

 コロイドガラスとは、水溶液中に1ミクロン(100万分の1メートル)程度の微粒子が集まってランダムに配置したもの。特徴は、ガラスと同じランダム構造を有していながら、全ての現象がゆっくりと生じる点にある。つまり、コロイドガラスでは、原子・分子振動に相当する微粒子振動の周波数が低いため、既存の装置を使ってアモルファス(非晶質)の結晶化を検証できる。今回、細かく周波数を変えながら実験した結果、70Hz付近の振動による急速な結晶化を発見した。この現象は、過去に提案された結晶化理論では説明できず、メカニズムの解明は今後の研究課題という。

 今回の成果は、音による結晶化手法の実現可能性を示し、熱処理にかわる新しい超高強度材料作成手法の開発につながる。また,超音波照射による選択的な結晶化も可能とされ,それによりガラスと結晶で構成される新しい物質(フォノニック結晶)の開発が期待される。

論文情報:【Scientific Reports】Accelerated crystallization of colloidal glass by mechanical oscillation

大阪大学

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