隣り合えない元素はどこまで混ざるのか?限界濃度を予測 ―結晶幾何学から導く新理論で合金設計を加速―

2026-03-12 日本原子力研究開発機構

日本原子力研究開発機構の研究グループは、合金中で互いに反発する添加元素がどこまで溶け込めるかを示す「飽和濃度」を理論的に予測する新モデルを構築した。結晶格子をグラフ理論で表現し、数値シミュレーションと数理解析を組み合わせることで、飽和濃度が配位数や格子構造の環サイズといった結晶幾何学的要因によって決まることを明らかにした。さらにFe-Cr-Al合金に適用した結果、Alの飽和濃度は約13 at.%と算出され、実験結果と良く一致した。本理論により材料種類に依存せず添加元素の濃度上限を事前に推定でき、合金設計やハイエントロピー合金など新材料開発の効率化に貢献することが期待される。

隣り合えない元素はどこまで混ざるのか?限界濃度を予測 ―結晶幾何学から導く新理論で合金設計を加速―
本研究の概念図 添加元素が「隣り合う/離れている」状態となるボーダーライン(飽和濃度)を理論予測することで、合金材料の強靭化に貢献できる

<関連情報>

固溶体中の反発性ドーパントの飽和率のグラフ理論的解析 Graph-theoretic analyses of saturation fraction of repulsive dopants in solid solutions

Atsushi Kubo & Yosuke Abe
Scientific Reports  Published:12 March 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41598-025-30829-1

Abstract

Short-range order (SRO) of dopant atoms in alloys or solid solutions is one of the most essential factors for materials design. In various alloy materials, dopant atoms repel each other, which causes a non-neighboring SRO and results in a substantial effect on their material properties. The fraction of repelling dopants should have an upper bound to satisfy the non-neighboring placement, where dopants are, as it were, saturated. Such “saturation fraction” is expected to play an important role in composition design for alloys. However, no comprehensive understanding has been established thus far for the saturation fraction of repulsive dopant elements despite its practical importance. Here we show that the saturation fraction of repulsive dopant can be described universally by several simple parameters regarding the lattice structure. We conducted a series of stochastic simulation and mathematical analysis for random packing of repulsive dopant in lattice systems for the purpose of predicting the saturation fraction. The mathematical model, which is based on random graph, successfully reproduced the basic trend of the saturation fraction for a variety of lattice structures. The present analyses can provide new insights into composition design for various kinds of alloys such as multi-principal element alloys.

0703金属材料
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