単一元素金属がガラス化する仕組みを解明~結晶化と準結晶化の競合がガラス形成を促進する~

2025-09-10 東京大学

東京大学の田中肇シニアプログラムアドバイザー(名誉教授)らは、単一元素金属がガラス化するメカニズムを大規模シミュレーションで解明しました。研究では、ガラス化するタンタル(Ta)と結晶化しやすいジルコニウム(Zr)を比較。Taでは液体中に二十面体構造が密に形成され、これらが連結して中距離秩序をつくることで結晶化を妨げ、同時に準結晶化を促す「非古典的経路」が働くことを発見しました。これにより結晶化と準結晶化が競合し、ガラス化が進行することが判明。一方、Zrは二十面体構造が乏しく、液体から直接結晶化が進行する典型的な経路をとることが示されました。この成果は、単一元素金属のガラス化を「結晶化と準結晶化の競合」という新原理で統一的に説明するものであり、金属ガラスや準結晶、相変化材料、電池電極などの設計指針を与えると期待されます。成果は2025年9月10日付「Nature Communications」に掲載されました。

単一元素金属がガラス化する仕組みを解明~結晶化と準結晶化の競合がガラス形成を促進する~
Ta液体から成長する準結晶

<関連情報>

競合する秩序の均衡による単原子ガラス形成 Monatomic glass formation through competing order balance

Yuan-Chao Hu,J. T. Zhai,Le-Hua Liu,W. W. Zhang,Hai-Yang Bai,Wei-Hua Wang & Hajime Tanaka
Nature Communications  Published:10 September 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-63221-8

Abstract

The phase transformation of single-element systems is a fundamental natural process with broad implications, yet many aspects remain puzzling despite their simplicity. For instance, transition metals, Tantalum (Ta) and Zirconium (Zr), commonly form body-centred cubic crystals when supercooled. However, according to large-scale computer simulations, their crystallisation rates can differ by over 100 times. We reveal that this difference originates from stronger competing ordering effects in Ta than Zr. The key thermodynamic factor governing these kinetics is interfacial energy reduction through preordering in a supercooled liquid state. In Ta, strong competition between crystallisation and quasi-crystallisation occurs through non-classical pathways facilitated by crystal-like preordering and hierarchical icosahedral ordering. Conversely, Zr lacks this competing effect, leading to ultrafast crystallisation. These distinct features influence their glass-forming ability, potentially explaining the experimental synthesis of glassy Ta over other metals. Our findings provide insights into the formation mechanisms of glasses, crystals, and quasi-crystals of chemical elements.

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