ミネソタ大学ツインシティーズ校の研究者たちは、驚くべき新しい研究で、これまで結晶を劣化させると考えられていた電子ビーム照射が、実はナノ構造の亀裂を修復することを発見した。電子ビームは、電子顕微鏡にも用いられているが、原子1個ずつに新しい微細構造を作り出すのにも使えるかもしれない。
かつては不可能と考えられていたことであるが、この発見に携わったミネソタ大学ツインシティーズ校（UMN）の研究者たちは、ナノ構造の研究に電子ビームを使用することは、材料にすでにある微細な亀裂や欠陥を悪化させるという新たなリスクを伴うと想定していたと述べている。
「長い間、ナノ構造を研究する研究者たちは、結晶を電子ビーム照射下に置いて研究すると、結晶が劣化すると考えていました」と、UMNの化学工学・材料科学教授で、この研究の主任研究者であるAndre Mkhoyan氏は説明する。
しかし、研究者らによれば、信じられないことが起こったという。電子ビームは確かにナノ構造に影響を与えたすが、それは研究者らが予想していたこととは正反対だったのだ。
「私は電子顕微鏡で結晶の亀裂を研究していたのですが、この亀裂がどんどん埋まっていったのです。これは予想外のことで、私たちのチームは、もしかしたら私たちが研究すべきもっと大きな何かがあるのかもしれないと気づいたのです」と、Mkhoyan氏は語る。
詳しく調べてみると、彼らが見ているものは錯覚ではなかったことがわかった。非常に微小で微細なスケールで見ると、研究対象の結晶の原子が、実際に互いに向かって移動してから、真ん中で出会っていたのである。このプロセスは「一種の橋」を形成し、以前あった亀裂を埋める傾向があり、本質的には亀裂を悪化させるのではなく、癒すのである。
電子ビームを使って原子単位で微小物体をエンジニアリング
研究者らは、彼らが使用した特定の顕微鏡に魔法のようなものがあったとは考えていないと述べている。むしろ、電子ビームを使って自己治癒する能力は、単にこれらの特定の材料の構成の一部であると考えている。
「原子レベルでシャープなクラックであれ、結晶中の他のタイプの欠陥であれ、それは我々が成長させた材料に内在するものだと思います。Mkhoyan教授のグループが、電子ビームを使ってこれらのクラックを修復できるのを見るのは、本当に驚くべきことです」と、この研究の共同研究者であるUMN化学工学・材料科学教授のBharat Jalan氏は述べている。
当初は分析結果に衝撃を受けたが、この画期的なプロセスを発表したプレスリリースでは、”研究者たちは、電子ビームを建設的に使用することで、原子ごとに新しいナノ構造を設計できることを示した”と述べている。
このような能力は、しばしば材料科学の究極の目標のように扱われ、物体を設計し、設計し、最終的には原子1つずつを構築することができる事に繋がると目されている。
プロセスの改良と改善
UMNの研究チームは、偶然発見した技術を改善する方法を探求したいとしているこれには、電子ビーム自体のダイナミクスを変えたり、ターゲットとなる結晶の温度を変化させたりして、”プロセスの改善や高速化”を図ることも含まれる。
「まず、発見しました。今、私たちはこのプロセスをエンジニアリングする方法をもっと見つけたいと思っています」。
論文
- Nature Commuincations: Mending cracks atom-by-atom in rutile TiO2 with electron beam radiolysis
参考文献
- University of Minnesota: Surprising discovery shows electron beam radiation can repair nanostructures
- via EurekAlert!
研究の要旨
走査型透過電子顕微鏡（STEM）のような電子プローブによる材料研究は、豊富な電子-物質相互作用に支えられている。非弾性相互作用は、しばしば材料の構造変化を引き起こし、最終的に電子プローブ測定の質を制限する。しかし、非弾性散乱に起因する構造変化の原子論的メカニズムを明らかにすることは困難である。ここでは、電子ビーム照射下におけるルチル型酸化チタンの放射線分解駆動型構造変化の直接可視化について報告する。環状暗視野イメージングと電子エネルギー損失分光信号を用いたSTEMプローブにより、原子レベルの分解能で、原子レベルでシャープなナノメートル幅のクラックが徐々に埋まっていく様子が明らかになった。ビームエネルギーを変化させ、電子線量を精密に制御したSTEMプローブは、定量化された放射線分解メカニズムに従って、ルチル型TiO2を建設的に再構築することがわかった。直接的な実験観察に基づき、ラジオリシス駆動の原子移動を可能にする可動八面体構成ブロックの「2段階ローリング」モデルが導入された。このような制御された電子線誘起放射線分解再構築は、新しいナノ構造を原子ごとに設計するために利用できる。
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