準結晶

準結晶：結晶とアモルファスの狭間にある物質

準結晶は、結晶のように規則正しい原子配列を持つ一方で、結晶を定義づける並進対称性（周期的な繰り返し構造）を欠いた物質です。アモルファス（非晶質）のようにランダムな構造ではなく、高い秩序性を有している点が大きな特徴です。この特異な物質は、1984年にイスラエル工科大学のダニエル・シェヒトマンによってAl-Mn合金から発見され、その功績によりシェヒトマンは2011年にノーベル化学賞を受賞しました。

準結晶の構造と対称性

結晶は、電子線回折等の回折像において、1、2、3、4、6回のいずれかの回転対称性を示します。一方、準結晶の回折像は5、8、10、12回などの回転対称性を示すことが特徴です。この対称性の違いが、準結晶の非周期性を示しています。回折像には鋭いスポットが現れることから、ランダムな構造ではなく、高い秩序度を有していることが分かります。

準結晶の構造は、一次元のフィボナッチ数列や二次元のペンローズ・タイルのように、一見ランダムに見えるながらも、長距離にわたる秩序性を示す準周期構造によって説明できます。これは、高次元空間の結晶構造を低次元空間に射影することで得られる幾何学的モデルで理解されています。

シェヒトマンが最初に発見した準結晶は、正20面体対称性を持ち、Icosahedral相（I相）と呼ばれます。その構造は、3次元ペンローズパターンを基にした原子配置で記述され、Mackay型、Bergmann型、Tsai型の3種類の代表的な局所原子クラスターが存在することが知られています。また、正10角柱対称性を持つDecagonal相（D相）や、8角形相、12角形相などの準結晶も存在します。D相では、平面方向は準周期構造、垂直方向は周期構造を持つ層状構造を示します。

準結晶の特異な物性

準結晶は、その特異な構造から、通常の金属とは異なる特異な物性を示します。最も顕著な特徴は、高い電気抵抗です。例えば、Al-Cu-Fe準結晶は、構成元素であるアルミニウム、銅、鉄が全て良導体であるにもかかわらず、電気抵抗が10万倍にも達します。さらに、低温になると電気抵抗が上昇する、欠陥が多い方が電気抵抗が低いなど、通常の金属とは逆の性質を示す場合もあります。

これらの特異な電気的性質は、準結晶のフェルミ面における「擬ギャップ」と呼ばれる状態密度の落ち込みに起因すると考えられています。擬ギャップは、系のエネルギーを下げ、準結晶構造の安定化に寄与していると考えられています。

また、バルク（塊状）の安定な準結晶は、非周期構造のためへき開面（きれいに割れる面）を形成しにくく、結果として硬くて強靭（脆くない）という特徴も持ちます。

準結晶研究の現状と展望

準結晶の発見は、物質科学に革命をもたらしました。従来の結晶の概念にとらわれず、より広範な物質構造の可能性を示唆したからです。現在も、新たな準結晶の発見や、その物性解明、そして更なる応用を目指した研究が精力的に続けられています。将来的には、準結晶の特異な性質を活かした、耐摩耗性材料や熱電変換材料、触媒などの開発が期待されています。

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