○発表者
田中　肇（東京大学生産技術研究所　教授）

○発表のポイント
◆壁面からの単結晶形成において、液体で形成される構造と結晶の構造との相性、さらには、前者と壁により形成される密度変調との相性が重要であることを発見した。
◆共焦点レーザ顕微鏡によるコロイド（注１）結晶化の一粒子レベルでの実時間観察と数値シミュレーションにより、壁面からの結晶化の過程に微視的レベルで迫った。
◆本研究成果は、コロイドのフォトニック結晶の形成やタンパク質の良質な結晶成長に新しい道を開くと期待される。

○発表概要
単結晶の形成は、さまざまな分野で重要である。一般的な方法としては、種結晶を用いる、あるいは、基板からの不均一核形成を用いるなどの方法がある。しかし後者については、その重要性にもかかわらず、単結晶形成のカギを握る物理因子が何であるのかはこれまで未解明であった。
このたび、東京大学生産技術研究所 田中肇 教授、博士課程院生の荒井俊人 (現 工学系研究科 助教)らの研究グループは、一粒子レベルで観察可能な荷電コロイド（注２）をモデル系として用い、実験と数値シミュレーションにより、壁面から結晶が生じ、成長する不均一核形成において、液体で形成される構造と結晶の構造との相性、さらには、平坦な壁面における構造選択と液体中に形成される方向性秩序の整合性が、単結晶形成に重要な役割を示すことを明らかにした。

○発表内容
単結晶の形成は、フォトニック結晶形成などへの応用が期待されているコロイド結晶に限らず、タンパク質などの系での結晶成長や機能発現と密接に関係しており、応用面でも多くの重要性を持っている。しかし、その結晶成長機構についてはこれまで、古典核形成理論にみられるように、密度場の周期構造形成（並進秩序化）に起因した核の形成とその成長として理解されてきた。したがって、液体の構造と結晶の構造のかかわりなどの微視的な視点は欠如しており、特に、粒子の配置の方向性の重要性はこれまでほとんど考えられてこなかった。
こうした状況の中、生産技術研究所の研究グループは、モデル実験系として荷電コロイド系を用いることで、1粒子レベルで全粒子を実時間で捕捉することにより、結晶化の微視的な過程を詳細に観察することに成功した。とくに、平坦な壁面からの不均一核生成・成長について実験と数値シミュレーションの双方を用いて、その物理的機構について調べた。その過程で、従来の密度相関としては記述されない、粒子の配置の方向性の秩序（ボンド配向秩序変数）を荷電コロイド系に適応できるよう拡張することで、過冷却液体中から特定の配向秩序が成長することを見出した。更に、界面エネルギーが有利になるような壁面へ"濡れやすい"結晶面の選択が、不均一核形成においては非常に効率よく起こり、この壁面へ濡れやすい構造と過冷却液体中の配向秩序の性向が揃ったときに単結晶が形成されやすいこと、逆にそれらが一致しない場合には、単結晶は形成されず、多結晶的な成長が起こることを見出した（図）。
さらに、このように過冷却液体中の秩序がエネルギー的に最も安定な結晶相と整合しない場合には、安定な結晶相は必ずしも選択されず、液体からの構造変換が起こりやすい準安定な構造が動力学的に選択されていくということも明らかとなった。
本成果は、基板の選択や液体の状態が単結晶形にどのような役割を示すかを示したもので、壁面からの不均一核形成を用いた単結晶形成に新たな指針を与えるものとして期待できる。

○発表雑誌
雑誌名：Nature Physics
論文タイトル：Surface-assisted single-crystal formation of charged colloids
著者： Shunto Arai and Hajime Tanaka
DOI番号：10.1038/nphys4034
アブストラクトURL：http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys4034.html

○問い合わせ先
東京大学生産技術研究所
教授　田中　肇
Tel：03-5452-6125
研究室URL：http://tanakalab.iis.u-tokyo.ac.jp/

資料

　

（図）構造選択と結晶性
基板付近の構造選択（上左）と過冷却液体中の配向秩序の発達（上右）。これらの対称性が整合する場合は均一な結晶構造が得られる（下左）ものの、両者が一致しない場合は多結晶的になる（下右）。

用語解説

（注１）コロイド
ここでは、大きさ２ミクロン程度の大きさの揃った球形の固体粒子が液体に分散したもの。

（注２）荷電コロイド
電荷を帯びたコロイド