六方最密充填構造

六方最密充填構造：ハチの巣構造と金属の性質

六方最密充填構造（hcp）は、自然界に広く見られる効率的な原子配列です。その名の通り、原子が正六角柱状に規則正しく並んだ構造をしており、ハチの巣のような形状を想像すると理解しやすいでしょう。

この構造では、原子が可能な限り隙間なく充填されています。その充填率は立方最密充填構造（面心立方格子構造）と等しく、約74%という高い値を誇ります。しかし、原子配列のパターンが異なるため、異なる結晶構造として分類されます。

構造の特徴

六方最密充填構造は、正六角柱を基本単位として考えることができます。正六角柱の上面と底面にそれぞれ6個、そして高さの半分に3個の原子が位置し、互いに密に接しています。底面の中心の原子は周囲12個の原子と接しており、この12個の原子との距離が最近接原子間距離となります。

この構造は、原子の最稠密面をABAB…という順序で積み重ねたものとして表現することもできます。ここでAとBは原子の位置の種類を示しており、A層とB層が交互に積み重なることで効率的な充填を実現しています。

単位格子と原子数

六方最密充填構造の単位格子は、正六角柱を縦に3等分した菱形柱となります。単位格子の中には2個の原子を含み、単位格子が3つ集まることで、構造全体では6個の原子が含まれることになります。

金属材料への影響

多くの金属元素が常温において六方最密充填構造を取ります。この構造は、結晶内のすべり面の数が限られているため、硬くてもろい性質を示す傾向があります。そのため、常温での塑性変形（例えば、金属の曲げや伸び）を起こしにくい金属が多いです。

理想構造と現実の金属

理想的な六方最密充填構造では、格子定数の軸率c/aが(2√2)/√3 ≒ 1.633となります。しかし、実際の金属では、原子の大きさや電子状態の違いによってわずかな歪みが生じ、この理想的な軸率からずれることが多くあります。

例えば、マグネシウムは比較的理想的な構造に近く、c/a=1.624ですが、亜鉛ではc/a=1.856と大きなずれが見られます。このような異方性（方向によって性質が異なること）は、金属の物性に影響を与えます。

六方最密充填構造を持つ元素の例

多くの金属元素が六方最密充填構造を取りますが、その中でも代表的な例として以下が挙げられます。

[ベリリウム]
[マグネシウム]
[スカンジウム]
[チタン]
[コバルト]
[亜鉛]
[イットリウム]
[ジルコニウム]
[テクネチウム]
ルテニウム(Ru)
[カドミウム]
[ガドリニウム]
[テルビウム]
[ジスプロシウム]
[ホルミウム]
[エルビウム]
[ツリウム]
[ハフニウム]
[レニウム]
[オスミウム]

補足

ランタン、プラセオジム、ネオジム、プロメチウムなどは六方晶ですが、ABACという順序で4層ずつ繰り返す複六方最密構造と呼ばれる特殊な構造であり、単純な六方最密充填構造とは異なります。

六方最密充填構造は、結晶構造の理解において重要な概念であり、材料科学や物理学の様々な分野で応用されています。

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