金属ガラスのチャンピオン－最大サイズの金属ガラスの原子配列の秘密
【ポイント】
- 現在最も大きなバルク（塊）状を形成できる金属ガラス注１Pd5Ni7.5Cu30P20の原子の並び方に、ガラスになりやすい不均質性を示す多くの特徴を見出しました。
- 実験はフランスにある放射光施設や中性子源を用いて、日仏独英の共同で行いました。
- 得られた実験結果の解析は、日本とハンガリーで開発した最新のアルゴリズムを用いました。
【概要説明】
熊本大学の細川伸也特任教授および国際先端科学技術研究機構(IROAST)のラスロー?プスタイ卓越教授（ハンガリー科学院より併任）は、フランス?国立科学研究センター（CNRS）、ドイツ?マールブルク大学、高輝度光科学研究センター（JASRI）、物質?材料研究機構（NIMS）、東北大学金属材料研究所、フランス?ラウエ?ランジュバン研究所（ILL）およびイギリス?バース大学の研究者と協力して、放射光X線を利用したX線異常散乱実験注２および強力中性子源を用いた中性子回折実験注３を行うことにより、現在８cmを超える最も大きなバルク状を形成することができるパラジウム（Pd）?ニッケル（Ni）?銅（Cu）?リン（P）系金属ガラスPd42.5Ni7.5Cu30P20（PNCP）の原子の並び方の特徴を捉えることに成功しました。これには、逆モンテ?カルロ法注４、ボロノイ解析注５およびパーシステント?ホモロジー法注６などの最近のデータ解析に用いるさまざまな手法が利用されています。
この研究により、なぜ金属原子が結晶として整列せず、ランダムに並ぶガラスとなり得るのかという、これまであいまいであった特徴をあぶり出すことができました。また、この研究成果は、これまで経験的にしか語られることがなかった、ガラス形成能（ガラスになりやすさ）に一定の指針を与えることができ、今後の金属ガラス材料の新規材料開発に新たな指針を与えるものとして期待されます。
本研究は文部科学省科学研究費補助金?学術変革領域研究（A）「超秩序構造科学」および基盤研究（C）、科学技術振興機構CREST、東北大学金属材料研究所全国共同利用共同研究の支援を受けて実施されたもので、オランダの科学出版大手エルゼビアの非晶質固体専門誌「Journal of Non-Crystalline Solids」に令和４年８月２５日に掲載されました。
（用語解説）
（注１）金属ガラス
ある種の合金の液体を急速に冷却すると、液体のランダムな原子配列がそのまま凍結されてガラス状態を作り、金属ガラスになります。当初は、水冷した銅の回転ドラムに液体金属を吹き付けるなど、薄いリボン状のものしか作製できず、その応用範囲は限られていました。しかしながら、Pd40Ni40P20の登場により、液体金属を水に浸ける程度でバルク状の金属ガラスを作製でき、硬くて磨耗しない小さな金属部品を金属加工ではなく鋳造で作製できるなど応用が広がっていきました。ガラス形成能の良い金属ガラスを用いることにより、よりゆっくりと金属部品が作製できるようになり、より複雑な形状のものを作ることができるようになります。
（注２）X線異常散乱実験
通常のX線回折では、用いるX線のエネルギーを変えても全く新しい情報は得られません。ところがある構成元素に関係するX線の吸収端、すなわち最も強い引力で原子核と結びついている1s電子を外部に叩き出すエネルギーの近くに用いるX線のエネルギーを定めると、その元素からのX線の散乱が数％弱くなる異常（異常分散効果）があることが知られています。その結果、目標の元素にのみ限定された散乱情報のコントラストを得ることができます。これを利用した実験法をX線異常散乱と呼びます。
（注３）中性子回折実験
X線と同じように中性子を用いても、原子配列についての情報を得られます。この研究に中性子を用いた最も大きな理由は、X線とは散乱のメカニズムが異なり、P元素からの散乱の寄与が、他の元素と同じくらい大きいためです。X線は電子によって散乱されますので、電子の数が少ない（軽元素である）P元素の寄与は非常に小さいのですが、中性子はそれを補填してくれます。さらには、散乱の強さ、すなわち散乱断面積もX線とは異なりますので、元素別の原子配列の情報が増します。
?（注４）逆モンテ?カルロ法
通常は実験データにフーリエ変換と呼ばれる数学的な解析を行って原子配列を求めますが、この手法では逆に原子配列をあるモデルとして立ててから実験データを再現しようとする「逆問題」の立場で解析を行います。原子の位置を少しずつ変化させ、実験データにより合うときは採用、合わないときも一定の割合で採用するという、メトロポリスのアルゴリズムを使って、モデル原子配列が実験データをより再現するまで繰り返しを行います。
?（注５）ボロノイ解析
中心原子のまわりに隣の原子がどのように配置しているかを判定する手段です。具体的には、隣の原子との間の結合線の二等分面を全ての隣り合った原子との間に取れば、隣接原子数と同じ数だけの多角形の面を持つ多面体（ボロノイ多面体）を作ることができ、その内部をその原子の領分とすることができます。そのときの表面の多角形の数を３、４、５、６、７角形の順に書いたものをボロノイ指数と呼びます。例えば多くの金属の結晶構造は面心立方晶あるいは最密充填六方晶ですが、いずれも１２個の４角形でできていますので(0 12 0 0 0)、先に述べた正２０面体構造では１２個の５角形でできていますので(0 0 12 0 0)と書くことができ、それによって隣接原子の配位と特徴を明らかにすることができます。
?（注６）パーシステント?ホモロジー法
あるものの配置を抽出するトポロジー（位相幾何学あるいは形の科学）解析の一つです。例えば、図４左のように原子が配列していたとします。その半径の大きさを段々と大きくしていきますと、あるところで図４中のように右下に小さなリングが現れます。これを生成（誕生）と呼びます。さらに半径の大きさを大きくしますと、図４右のように右下の小さなリングが消滅（死亡）しますが、新たに大きなリングが生成されています。このとき、横軸に誕生した瞬間の半径の大きさ、縦軸に死亡した瞬間の半径の大きさをヒストグラム（パーシステント?ダイヤグラム）として図形化すると、より大きな距離範囲での原子の並び方に特徴が現れます。この手法は、ある元素が存在しない距離を数学的に導くことができますので、各元素の不均質性を判断する重要な指標となります。
【論文情報】
論文名：Relationship between atomic structure and excellent glass forming ability in Pd42.5Ni7.5Cu30P20 metallic glass
著者： Shinya Hosokawa, Jean-Fran?ois Bérar, Nathalie Boudet, Wolf-Christian Pilgrim, László Pusztai, Satoshi Hiroi, Shinji Kohara, Hidemi Kato, Henry E. Fischer, and Anita Zeidler
掲載誌：Journal of Non-Crystalline Solids 596, 121868-1-12 (2022)
doi:https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2022.121868
URL：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S002230932200463X?via=ihub
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【詳細】 プレスリリース（PDF560KB）
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熊本大学産業ナノマテリアル研究所
担当：特任教授 細川伸也
電話/FAX：096-342-3806
E-mail：shhosokawa※kumamoto-u.ac.jp
（※を@に置き換えてください）