デンドライト

デンドライト（樹枝状晶）とは

デンドライト（dendrite）とは、樹木が枝を広げるように、複雑に分岐した結晶構造のことです。日本語では樹枝状晶（じゅしじょうしょう）とも呼ばれます。特定の鉱物を指すのではなく、あくまで結晶の形状を表す用語であり、冬の窓にできる霜の結晶もデンドライトの一種です。自然界におけるフラクタル構造の代表例としても知られています。

語源はギリシア語で「樹木」を意味する「デンドロン（δένδρον）」に由来します。

デンドライトの生成機構

通常の結晶は、結晶面の欠陥部分に原子が優先的に吸着することで成長します。しかし、デンドライトは、過冷却または過飽和状態の液体から固体が析出する際に特有の成長を遂げます。

種結晶の周りが過冷却または過飽和状態にあると、原子は結晶表面に急速に吸着します。このとき、原子は安定した場所だけでなく、表面のわずかな凸部分にも付着しやすくなります。その結果、凸部分が優先的に成長し、先端が枝分かれを繰り返すことで、独特の樹枝状構造が形成されます。過冷却・過飽和の度合いが大きいほど結晶化が急速に進むため、枝の間隔が狭いデンドライトが生成されやすくなります。

デンドライトの構造は、結晶の基本構造によって異なります。立方晶系や正方晶系の結晶では、元の枝から90度の方向に枝分かれし、六方最密充填構造では、雪の結晶のように30度の方向に枝分かれします。

微小重力環境でのデンドライト

NASAは、[スペースシャトル]]を用いた微小重力実験で結晶成長の観察を行っています。微小重力下では対流が起こりにくいため、結晶が成長しやすく、デンドライト状結晶が金属や合金の安定状態の一つとして現れます。例えば、[[鉄]と[サマリウム]の混合溶融物を微小重力空間で冷却すると、SmFe2という珍しい比率の合金が生成され、平面状のデンドライトに成長することが確認されています。

デンドライトの生成機構は複雑ですが、近年ではフェーズフィールド法を用いたコンピュータシミュレーションによって、比較的現実に近い形状を再現できるようになっています。

ウィスカーとの違い

金属から生えた髭のように見えるウィスカーと呼ばれる繊維状の単結晶があります。デンドライトとの違いは、形状と成長過程にあります。デンドライトは先端部で結晶成長するのに対し、ウィスカーは根元で結晶成長して伸びていきます。そのため、ウィスカーは途中で折れ曲がることはあっても、枝分かれすることはほとんどありません。

デンドライトの種類

マンガンは酸化物、水酸化物ともにデンドライトを生成しやすいことで知られています。その他、以下の鉱石もデンドライトを生成しやすいです。

赤鉄鉱 (α-Fe2O3)
パイロルース鉱 (MnO2)
バーネス鉱 (Na4Mn14O27・9H2O)
コロナド鉱 (PbMn8O16)
クリプトメレン鉱 (KMn8O16)
ホランド鉱 (BaMn8O16)
ロマネシュ鉱 ((Ba,H2O)Mn5O10)
轟石 ((Ba,Mn,Mg,Ca,K,Na)2Mn3O12・3H2O)

石灰岩のひび割れにマンガンや鉄などのイオンを含んだ液体が流れ込み結晶化すると、デンドライトが生じやすくなります。また、石英やモスアゲート（メノウの一種）には立体的なデンドライトが生成することがあります。

水やスクシノニトリル（C2H4(CN)2）もデンドライトを作りやすい物質として知られており、研究対象となっています。

デンドライトとショート

電池内部では、金属イオンの液体中で化学反応が起こるため、デンドライトが生成されやすい環境です。析出する金属の量がわずかでも、デンドライトは長く伸びやすく、容器の表面を伝って電気配線をショートさせることがあります。

鉱物学・古生物学におけるデンドライト

古生物学の研究において、デンドライトは化石と間違われやすい偽化石の一種です。かつては、フデイシのような古生物が偽化石と間違われることもありました。

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