振動する大きな粒の中に準結晶が形成される

準結晶は、普通の結晶で見られる繰り返しのパターンに従わない独特な構造だよ。約30年前に金属合金の中で最初に発見されて、結晶構造に対する理解が変わったんだ。これらの構造は、ナノサイズの粒子からマイクロメートルサイズの物体まで、いろんな素材で見つかっているんだよ。最近の実験では、準結晶の形成がマクロな設定でも起こることがわかったんだ。特に、平らな表面で振動する球状の粒子を使った実験があったんだ。

この研究は、最初は無秩序な液体のような状態にあった球状の粒子のシステムから始まったんだ。粒子が振動するにつれて、特定の形に自分たちを整え始めたんだ。粒子は、四角形と三角形のタイルの二種類の配置を作ったんだよ。時間が経つにつれて、これらのタイルは八重対称性を持つ構造に組み合わさるように整列したんだ。このパターンは以前はコンピューターモデルでしか予測されていなかったけど、実際の素材では見られなかったんだ。この発見は、こういった構造がどのように自然に形成されるかを理解する新たな道を開く重要なものなんだ。

準結晶の研究は1982年に始まったんだ。シェクトマンという科学者が合金の中で変わったパターンを発見したんだ。そのパターンはブラッグピークとして知られ、伝統的な結晶学において存在しないはずの対称性を持っていたんだ。最初は、このアイデアは疑問視されたけど、それが準結晶の存在を認めることにつながったんだ。準結晶は、繰り返しの構造がなくても秩序を示すことができるんだよ。

それ以来、科学者たちは様々な人工材料や自然に存在する鉱物の中で準結晶パターンを観察してきたんだ。最近では、ポリマーやナノ粒子といったソフトマターシステムの中でもこれらのパターンを探し始めているんだ。この調査では二つの重要な質問が浮かび上がるんだよ：準結晶構造はどれくらい大きくなれるのか、そしてその形成にはどんな要素が必要なのか？

以前の研究では、準結晶は関与する材料の性質によって様々なスケールで自己組織化することが示されているんだ。今まで見つかった中で最大の準結晶はマイクロメートルサイズの構造から成り立っているんだ。二つ目の質問はもっと複雑で、コンピュータシミュレーションを使って研究されてきたんだ。相互作用する粒子の基本モデルを使って、準結晶の秩序が異なる力からどのように生じるかを探っているんだよ。

面白いことに、シミュレーションでは、異なるディスク状の粒子を混ぜるだけで、条件が整えば準結晶が形成されることが示されているんだ。このことは、熱運動だけでなく、配置によっても秩序が現れる可能性があることを示唆しているんだ。ただ、粒子が常に動いていて摩擦でエネルギーが失われる granularな材料でこの現象を研究することは、今まであまり探求されてこなかった。

このアイデアをさらに調査するために、研究者たちは粒状材料に注目したんだ。これらの材料は、外部の力に基づいて行動が劇的に変わる非平衡現象を観察するのに理想的な場を提供してくれるんだ。粒子が閉じ込められて振動すると、液体や固体のように振る舞ったり、様々な遷移を経験したりするんだよ。それにもかかわらず、これらのシステムで準結晶が自発的に形成されることは、実験やシミュレーションではまだ記録されていないんだ。

最近の研究では、研究者たちはミリメートルサイズの球状粒子の混合物を振動させた実験と計算観察を報告したんだ。彼らは、熱運動があまり心配されないこの大きなスケールでも、準結晶が自己組織化プロセスを通じて形成されることを発見したんだ。システムは摩擦や粒子にかけられる外部の力によって平衡外で動いているんだ。

実験では、チームが振動させるためのシェーカーを使って、ほぼ二次元の空間に閉じ込められたスチールの球状粒子を用いた特定の設定を使用したんだ。粒子が動く様子を撮影して、時間と共にその位置を追跡したんだ。研究者たちは、コンピュータシミュレーションで使われた粒子のサイズと条件を近いものに選んで、効果的な比較ができるようにしたんだ。

実験の結果、適切な振動を与えることで、粒子が自発的に八重の準結晶を形成したことがわかったんだ。七日間の実験中、研究者たちはタイルの形成とそれらがより大きな構造に整列する過程を観察したんだ。個々のタイルは効率的にパッキングされて急速に形成されたけど、全体的に組織された配置を達成するにはかなり時間がかかったんだ。これは自己組織化プロセスの複雑さを強調しているよ。

研究者たちは、異なる種類のタイル、特に不整列のものが時間と共に数量を変化させることを観察したんだ。整列したタイルは最初増加したけど、最終的には安定したんだ。一方、不整列のタイルはもっと変動があったんだ。この研究では、最終的な準結晶構造が、エッジから中心に向かって成長していくことにも注目しているんだ。これは、即時的な形成ではなく、徐々に発展していくことを示しているんだよ。

興味深いのは、タイルの結合方向なんだ。方向は均一ではなく、八つの主要な方向に整列していて、強い基盤の秩序を示唆しているんだ。また、厳しい容器の壁もこの整列に影響を与え、特定の方向を好むことがわかったんだ。これにより、境界が粒状システムにおける秩序の出現に重要な役割を果たす可能性があることが示されているんだよ。

準結晶構造が組み立てられる過程のリアルタイム観察は、科学研究の中では珍しいことなんだ。ほとんどの技術では最終構造の分析しかできないから、この研究は時間と共に構成の変化を追跡できる点で注目されるんだ。この発見は、これらの独特な構造がどのように発展するか、そしてその組み立てに関与するダイナミクスに光を当てるものなんだ。

まとめると、この研究は検出可能なスケールや特定の材料に限らず、準結晶の形成が大きなマクロなシステムでも起こり得ると示したんだ。これは準結晶の挙動に対する理解を伝統的な文脈を超えて広げ、様々な材料において複雑な構造の出現に寄与する力や配置の探求に新たな道を開くものなんだ。この研究から得られた知見は、特に準結晶のユニークな特性を利用した新しい材料やデバイスの開発において、材料科学の進歩につながる可能性があるんだ。