教科書を書き換える発見:UCLA主導研究が結晶形成理論を改訂(Update the textbooks: UCLA-led research revises theory of how crystals form)

2026-08-25 カリフォルニア大学ロサンゼルス校(UCLA)

UCLA主導の研究チームは、結晶が形成される仕組みについて、従来の「原子や分子が徐々に集まり、安定した核を作ってから結晶へ成長する」という古典的な結晶核生成理論を見直す研究成果を発表した。研究では、結晶化の初期段階で粒子が単純に一つずつ秩序化するのではなく、より複雑な構造変化や中間状態を経ながら結晶構造が形成されることを示した。これは、結晶形成が従来考えられていたより動的で多段階なプロセスであることを意味する。新たな理解は、鉱物や医薬品、半導体、電池材料など、結晶構造が性能を左右する幅広い物質の製造・制御に影響を与える可能性がある。研究チームは、これまで教科書的に説明されてきた結晶化モデルを更新する必要があるとしており、材料科学や化学における結晶形成の理解を大きく前進させる成果となっている。

教科書を書き換える発見:UCLA主導研究が結晶形成理論を改訂(Update the textbooks: UCLA-led research revises theory of how crystals form)
Miao Lab/UCLA
Maps of five out of the 8,000-plus crystal nuclei in the study show regions with a high level of order in red, with a medium level in purple and with a low level in light blue.

<関連情報>

原子電子トモグラフィーによって明らかになった高エントロピー合金における結晶核生成と成長 Crystal nucleation and growth in high-entropy alloys revealed by atomic electron tomography

Yakun Yuan,Saman Moniri,Yao Yang,Jihan Zhou,Andrew Yuan,Dennis S. Kim,Yongsoo Yang,Chenyang Li,Kun Luo,Qi An,Wei Chen,Peter Ercius & Jianwei Miao
Nature Materials  Published:25 August 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41563-026-02727-y

Abstract

High-entropy alloys combine multiple principal elements and can exhibit exceptional mechanical properties and catalytic activity. However, how they crystallize remains poorly understood because early nuclei are small, transient and chemically complex. Here we advance atomic electron tomography to determine the three-dimensional atomic structures and local chemical order of 8,160 high- and medium-entropy alloy nuclei. We find that nucleation proceeds through gradient ordering, in which structural order is highest at the core, decreases smoothly towards the boundary and is coupled to local chemical order. Most nuclei coalesce with nearly aligned crystal lattices, whereas a minority form twin boundaries. We develop the gradient nucleation pathways model, which generalizes classical nucleation theory by incorporating spatially varying structural order within each nucleus. The model captures diffuse, partially ordered nuclei, recovers classical nucleation theory in the sharp-interface limit and reveals multiple intermediate states. These results provide an atomistic framework for understanding crystal nucleation and growth across a broad range of materials.

1701物理及び化学
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