物質には固体、液体、気体の 3 つの相があることを学校で習ったことがあるかもしれません。これは若い学生にとって便利な単純化ですが、実際にはもっとたくさんあります。過去 1 世紀ほどの間に、私たちは何百もの異なる固相が存在することを発見しました。そのうちのいくつかは、コンピュータを動かすシリコン チップの構築に使用されています。さらに、数十の液晶相があり、そのうちのいくつかはノートパソコンの画面に画像を作成します。超流動、クォーク グルーオン プラズマ、ボーズ アインシュタイン凝縮体、いわゆる「トポロジカル フェーズ」などの量子フェーズなど、非常にエキゾチックなものに到達する前の段階です。
しかし、その前に、一歩下がって、「フェーズ」という言葉の意味について説明しましょう。多くの基本的な概念と同様に、フェーズは例によって最もよく説明されます。氷が入ったコップ一杯の水を考えてみましょう。ガラスに含まれる物質は、水だけです。 H2 の分子がたくさん O.
角氷の分子は周囲の水の分子とまったく同じですが、氷と液体の水には明らかに大きな違いがあります。最も明白なのは、1 つが固定され、定義された形状を保持し、もう 1 つが自由に流れ、そのコンテナーの形状をとっていることです。また、密度、電気伝導率、およびその他の多くの物理的特性にも違いがあります。したがって、液体の水と氷は異なる相であると言います
氷と水がこれほど根本的に異なる挙動を示すのはどうしてでしょうか?違いは温度だと言いたくなるかもしれません。水は暖かく、氷は冷たいので、どういうわけか、水分子の挙動が異なります。しかし、0°C と通常の大気圧では、氷と液体の水はどちらも安定しています。つまり、変化することなく無限に存在できます。
では、氷と液体の水の主な違いが温度ではない場合、何が違いますか?
大きくも小さくも考える
科学者たちは長い間、ヒューマン スケール (または 巨視的) の関係について推測してきました。 ) さまざまな材料の特性、およびそれらの材料を構成する「断片」の微視的な配置。初期の試みの 1 つは、1611 年にヨハネス ケプラーによって、「6 角の雪の結晶:新年の贈り物」という楽しいタイトルで行われました。ケプラーは、氷が規則的な六角形の配列に詰め込まれた小さな球から作られている場合、雪片の六角形の対称性を説明できると主張しました.
原子の特定の配置に関するケプラーの予想が少し間違っていたことがわかりました。彼が描いた配置は、水分子の 3D 形状と複雑な相互作用を正しく説明していません。 (ケプラーに公平を期して言えば、化学はまだ発明されておらず、原子の存在はほぼ 300 年後まで決定的に証明されませんでした。) それでも、彼は正しい道を進んでいました。雪片の 6 回対称性は、水分子が六方対称の 3D 構造に配置されているという事実に由来します。
現代物理学の言葉を借りれば、ケプラーは雪は結晶性固体であると推測しました。 — 原子または分子が結晶格子と呼ばれる規則的な配列に詰め込まれているため、その特性を得る物質の相 .現代の物理学者は、物質がダイヤモンドや塩の粒、雪の結晶のように見えるかどうかに関係なく、「結晶」という言葉を使用して微視的な構造自体を指します。したがって、物理学者にとって、多くの金属やセラミックスは結晶であると考えられています。これは、原子または分子が規則的な格子状に配置されているためです。これは、基本的に、ケプラーの 1611 年の図面の 3D バージョンです。
それで、水ガラスの氷を説明します。しかし、液体の水はどうですか？絶対零度 (-273° C) を超える物質では、分子は絶え間なく動き回っており、強力なブレークの後、ビリヤード ボールのように互いに跳ね返ります。物質の温度は、分子が移動する速さの単なる尺度です。
液体では、このランダムな熱 モーション 格子を所定の位置に保持する分子間の力を克服するのに十分なほど強力です。そして、それらを所定の位置に固定する格子がなければ、水分子はお互いの周りをはるかに自由に動くことができます.これは、液体の水は指で押すと崩れるのに、氷は崩れない理由を説明しています。 (興味深いことに、窓ガラスのように、完全に無秩序な微細構造を持ちながら、巨視的レベルでは固体のように振る舞う物質がいくつかあります。この振る舞いを理解することは、材料物理学における最も重要な未解決の問題かもしれません。)
フェイズ ファンタスティック
ケプラーの 2D スケッチではなく本物の氷のような 3D マテリアルでは、物事が複雑になる可能性があります。たとえば、氷には 17 段階の既知の段階があり、その最新のものは昨年、イタリアの研究者によって最初に作成され、研究されました。異なる相は温度と圧力のさまざまな条件下で発生し、それらはすべて固体ですが、それぞれ異なる密度、硬度、電場と磁場への応答、熱伝導率などを持っています。これらの巨視的な挙動の違いが、これらが異なるフェーズであると私たちが言う理由です。 「通常の」状態 (地表の温度と圧力の状態) では、氷は通常氷 Ih (「氷 1 h」) の形をしています。この六角形は、雪片の 6 回対称性の原因です。
(ちなみに、さまざまな氷のラベル付けは、実際に氷 IX が存在することを意味します。幸いなことに、地球の表面の温度と圧力では、それは他の 9 つの氷よりもはるかに壊れやすく、壊滅的な安定期です。カート ヴォネガットの著書 Cat で海を立体的に表現する のゆりかご .)
そして、この最も日常的な物質でさえ、話はまだ終わっていません.天王星や海王星のような巨大なガス惑星の中心にある超高圧には、まだ発見されていない多くの氷の相が存在する可能性があります。 1,000 万気圧以上の極限状態では、水はかなり奇妙な結晶固相を形成すると予測されています。これらには導電性金属相が含まれており、どうにかしてそれを磨く方法を理解できれば、光沢があるように見えます.
中間者
ミクロ構造とマクロ特性の関係は、科学と工学の中心的な考え方であり、多くの種類の材料の設計に使用されています。たとえば、液晶 ラップトップ、テレビ、携帯電話の LCD (「液晶ディスプレイ」) 画面の主要コンポーネントです。液晶は、異常に長い棒状の分子を持っています。このため、これらの分子は、通常の材料には見られない特性を持つ一連の相全体を形成できます。
たとえば、高温では、分子は完全に無秩序になります。液体の水の分子のように、各ロッドはランダムに配置され、各ロッドはランダムな方向に向けられます。これは等方相と呼ばれます .低温では、分子は ネマチック相 に移行します。 液体の水のように、それぞれがランダムに配置されていますが、分子は一般的に同じ方向を向いています。格子がないため、ネマチック相は液体のように流れることができますが、すべてのロッドが整列しているため、相は特定の種類の微視的秩序を持っています。したがって、「液晶」という用語。
現代の私たちにとって幸運なことに、ネマチック相には、方向に依存する珍しい特性があります。電場に置くと、棒状の分子はその電場に整列する傾向があります。 LCD 画面では、ネマチック相の分子が 偏光フィルター として機能します。 :分子が一方向 (たとえば、上下方向) にある場合は入射光を通過させますが、垂直方向 (左右) にある場合は通過させません。 LCD では、各ピクセルにまたがる小さな電極が、そのピクセル内の分子の向きを制御する電界を生成し、発光するかどうかを制御します。
極小のモデリング
微細構造が、私たちが遭遇して作成する多くの材料の特性を説明するのに役立つことは明らかです。しかし、実際に見ることができますか 実生活でのこの微視的な秩序？氷、塩、金属などの通常の物質の場合、原子や分子は非常に小さいため、これは注意が必要です。たとえば、水の分子は直径が 10 億分の 1 メートル未満です。小さすぎて通常の光学顕微鏡で見ることはできず、最新の顕微鏡技術を使っても観察するのは非常に困難です。
幸いなことに、自己組織化して相を形成するのは原子と分子だけではありません。ニューヨーク大学ソフトマター研究センターのチャイキン ラボでは、小さな固体球体を使用して物質の相を研究しています。これらの小さな球体はコロイドと呼ばれます 、ガラス、プラスチック、金属など、さまざまな素材で作ることができます。私たちの研究室で使用するコロイドは、水分子の約 3,000 倍の大きさで、バクテリアや動物細胞の核に匹敵します。材料科学者にとって、コロイドは「ゴルディロックス粒子」のようなものです。顕微鏡で見るのに十分な大きさですが、多くの点で氷や水のような通常の物質に類似した相を作るのに十分小さいです。
NYU では、水面に付着する特殊なコーティングを施したコロイドを製造しています。私たちの粒子が水滴にくっつくと、下に示すような美しい顕微鏡画像を撮ることができます。これらの画像では、さまざまな相の微視的構造と、その秩序がどのようにして固体などの巨視的特性につながるかを見ることができます。たとえば、静止した池のような平らな表面とは対照的に、粒子が球状の液滴にくっつくと、粒子の挙動がどのように変化するかを現在研究しています。球体上にいることは、結晶の形成と固体のような挙動の出現を助けますか、それとも妨げますか?最終的に、これは、球形またはさらに複雑な形状を持つ重要な構造の特性を理解するのに役立つ可能性があります。たとえば、HIV の遺伝子を保護するタンパク質の殻についてもっと知れば、それらの殻を壊してウイルスを無害にすることができるかもしれません.
クリスタルが劣化したとき
微視的秩序について学ぶ上で最も重要な部分の 1 つは、いつ、どのようにその順序付けが失敗するかを理解することです。たとえば、結晶格子内のコロイドの写真をよく見ると、順序が一様に正確ではないことに気付くでしょう。欠陥と呼ばれる不完全または乱れた領域を観察できます。
同様の欠陥は原子結晶や分子結晶にも発生し、多くの点で重要であることが判明しています。たとえば、材料の脆さ (壊れる前にどれだけの負荷に耐えられるか) を判断する際に重要です。さらに、結晶欠陥は材料の電気伝導に影響を与える可能性があるため、半導体メーカーは単結晶シリコンの製造に数十億ドルを費やしています。 —欠陥がほとんどないシリコンの巨大なブロック。一方で、これらの微細な傷が非常に望ましい場合もあります。最近の研究では、グラフェンの欠陥を制御および操作して、たとえば水の淡水化用フィルターとして最適化する方法に焦点が当てられています。
NYU では、コロイド結晶を使用して、欠陥がどのように作成され、移動し、互いに相互作用するかを確認しています。相挙動と同様に、コロイド結晶で何が起こるかを研究することは、他の材料の欠陥を理解するのにも役立ちます.人生の多くのことと同様に、不完全さがすべての中で最も興味深い部分である場合があります。
Colm P. Kelleher は、ニューヨーク大学で物理学の博士号を取得しました。彼は の著者の 1 人です。 Phases of Matter Coloring Book (Green Frog Publishing)、2017 年に出版予定。
脚注
1. 「物質の状態」という用語は、「物質の相」と同じ意味で使用されることもあり、科学における多くの基本的な概念と同様に、どちらの用語にも一意で普遍的に合意された定義はありません。
2. 実際、水は私たち人間が 3 つの異なる段階で定期的に遭遇する唯一の物質です。これは、水が非常に特殊な素材である多くの理由の 1 つにすぎません。
3. 三角形の雪の結晶もありますが、その理由は定かではありません。
4. 大体 17段階の氷。分類に関する多くの問題と同様に、数え方によって異なります。
5. これは、入射光が直線偏光の場合に当てはまります。 .携帯電話やラップトップのディスプレイでは、光源と画面の間に偏光フィルターを配置することで実現しています。
6. この説明は、特に「面内スイッチング」LCD (IPS-LCD) に言及しています。 IPS-LCD では、画面の後ろにある照明パネルが均一な明るさの白色光を発します。画面自体は、それぞれが 3 つのサブピクセルを含むピクセルのメッシュで構成されています。サブピクセルには、ネマチック相ロッドの薄い層が含まれています。各サブピクセルの両側に配置された小さな電極が分子の向きを制御し、光がそのサブピクセルを通過するかどうかを制御します。 3 つのサブピクセルは、赤、青、緑のカラー フィルターでコーティングされているため、ピクセルは任意の色を表現できます。他の設計には、さらにエキゾチックな「ねじれネマチック」液晶相を使用して同様の結果を達成する「ねじれネマチック」LCD (TN-LCD) が含まれます。 TN-LCD の詳細な説明については、こちらのビデオをご覧ください。また、LCD の全体的な説明については、HowStuffWorks をご覧ください。
7. これらの写真は、共焦点顕微鏡と呼ばれるタイプの顕微鏡で撮影されました。共焦点顕微鏡では、蛍光色素がサンプルに埋め込まれており、レーザーを使用して色素を発光させます。これらの写真では、コロイド自体から放出された輝きが見られます。
視聴: 17 種類の氷が存在する理由について、カリフォルニア大学バークレー校の化学者 Richard Saykally が説明します。
