金属ガラスの電子顕微鏡像に現れた”明るい点”の正体に迫る ~高分解能像の解析から柱状原子配列の存在を示唆~

2026-05-28 早稲田大学

早稲田大学の研究グループは、Zr-Pt金属ガラスの高分解能透過型電子顕微鏡像に現れる「明るい輝点」の起源を解明した。分子動力学シミュレーションと電子顕微鏡観察を組み合わせて解析した結果、20面体原子クラスターと歪んだ20面体原子クラスターが支配的に存在し、それらが直線状につながった「柱状原子配列」を形成していることを発見した。特に、電子線方向に沿った柱状配列の中心軸上の原子列が、高分解能像で強い輝点として観測されることを明らかにした。従来は、ガラス構造には結晶のような周期性がないため高分解能像の解釈が困難だったが、本研究により、中距離秩序構造を持つ柱状配列に着目することで、ガラス内部構造を直感的に理解できる可能性が示された。今後、金属ガラスの機械特性やダイナミクスとの関係解明、新たなガラス構造理論への発展が期待される。

金属ガラスの電子顕微鏡像に現れた”明るい点”の正体に迫る ~高分解能像の解析から柱状原子配列の存在を示唆~
図1(左上)20面体原子クラスターおよび歪んだ20面体原子クラスターからなる中距離秩序構造。比較的短い柱状原子配列に対応する。(右上)実験で金属ガラスから得られた高分解能像。(左下)分子動力学シミュレーションで得られた金属ガラスモデルから計算した高分解能像。(右下)種々の原子クラスターからなる大きいサイズの柱状原子配列。左上や右下の柱状中距離秩序構造の中心軸に沿った原子の並びが、柱の軸方向から見た際の像中の輝点に対応する。右下の配列からは、左上のものと比べて、より輝度の高い輝点が期待される。

<関連情報>

Zr-Pt金属ガラスにおける柱状原子配列とその高分解能電子顕微鏡像 Columnar atomic arrangements in Zr-Pt metallic glasses and their appearance in high-resolution electron microscopy

Siyuan Zha, Akihiko Hirata
Acta Materialia  Available online 12 May 2026
DOI:https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122344

Abstract

The characteristics of medium-range order structures in Zr80Pt20 metallic glasses were investigated through molecular dynamics simulations and transmission electron microscopy. Two dominant Pt-centered atomic clusters, icosahedral and icosahedral-like, were found to exhibit distinct spatial distribution characteristics in the simulated models. The icosahedral atomic clusters are connected through interpenetration, as commonly suggested, forming localized medium-range order. In contrast, the icosahedral-like atomic clusters tend to form more extended structures through edge- and face-sharing connections. The latter can be interpreted as interpenetrating when Zr-centered atomic clusters are taken into account. We also show that Zr-centered atomic clusters with relatively higher coordination numbers tend to form interpenetrating structures on a larger scale, compared with Pt-centered atomic clusters. Remarkably bright spots frequently observed in experimental high-resolution electron microscopy images were interpreted as columnar structures formed by atomic clusters aligned along the incident direction of the electron beam.

0703金属材料
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