リサーチハイライト

東北大学原子分子材料科学高等研究機構（AIMR）の研究者らは、アモルファス合金のナノ構造を数理解析することによって、この有用な材料の形成過程について新しい知見を得た。この知見は、アモルファス合金からなるナノワイヤーの製造工程の最適化に役立つことが期待される。

一般的な原子配列のある材料とは異なり、ランダムな構造を持つアモルファス合金は、優れた機械的特性を示すため、多大な関心を集めている。特に、アモルファスナノワイヤーは、磁気センサー、繊維強化複合材料、不均一系触媒への応用が有望視されている。

AIMRの中山幸仁准教授らは、これまでに、ガスアトマイズ法を活用してアモルファス合金ナノワイヤーを作製できることを実証している。ガスアトマイズ法は、金属や合金の粉末製造法として広く用いられており、化学的に不活性なガスを高速なジェットとして、これを溶融した金属や合金へ噴射することで、こうした溶湯を「霧化」して微小な液滴や液糸にする。しかし、霧化の過程はきわめて複雑であるため、その生成物のサイズと形状を制御するのは困難だ。

このほど中山准教授のグループは、AIMRの数学者とチームを組むことによって、パラジウム系アモルファス合金からできた粉末とワイヤーの形状を統計的に解析した¹。その結果、これらの形状が、溶湯の粘性と表面張力の比で表されるオーネゾルゲ数というパラメーターと関係していることを見いだした。オーネゾルゲ数が小さいときには微小粉末が形成され、大きいときにはワイヤーが生成するのだ（図参照）。

研究者らはまた、ワイヤーの直径分布が、対数正規分布という統計パターンに従いつつ、ナノサイズにまで及んでいることを明らかにした。「対数正規分布とは、確率変数の対数が正規分布をするような分布のことで、生物の大きさや種の数、経済学における収入、天文学における銀河の分布など自然界でよく見られる現象のデータ解析に広く用いられています」と中山准教授。

今回の知見は、ガスアトマイゼーション中に溶湯が分裂する様子について、より明確な全体像を描くのに役立ち、ゆくゆくは、ナノワイヤーの作製プロセスの制御につながるはずだ。

研究チームが今回の研究対象に選んだ材料は、ガラス形成能が高く、酸化しにくいパラジウム系アモルファス合金だったが、他の合金でも同じ解析ができるという。

中山准教授によると、今回の解析には数学者からの助言が非常に役に立ったという。「この研究は、AIMR融合研究プログラムの支援を受けて行われました。これは、材料科学と数学との学際研究を推進することで、工業製品化をも視野に入れて、基礎的な知見を得ることを目標とするプログラムです。統計モデルの開発を手助けしてくれる数学者との連携は、私たちにとって非常に重要でした」