せん断変形中の金属ガラスにおける協調的な原子運動

この隠れた原子の舞いが重要な理由

紙クリップを曲げたりプラスチック片を引っぱったりすると、私たちが見るのは滑らかな変形であり、その下で数兆個の原子が暴れ回っているようには見えません。スポーツ用品から小型デバイスに使われる金属ガラスでは、原子が規則的な結晶配列を持たないため、この不可視の運動は特に謎めいてきました。本研究はスーパーコンピュータによるシミュレーションと巧妙な「タイムマシン」的手法を用いて、恒久的な欠陥ではなく、小さな原子群が協調して動くことが、これらの材料の曲がり、降伏、そして時に突然の破壊を支配していることを明らかにします。

異なる種類の金属

私たちが普段触れる多くの金属は結晶性で、原子は規則的に繰り返す配列に並んでいます。そうした材料では、変形は主に転位と呼ばれる欠陥によって運ばれ、格子を滑るように移動します。金属ガラスはこれと異なり、不規則でガラス状に凍りついた状態、渦巻く金属液が途中で止まったような構造を持ちます。驚くことに、その内部構造がランダムに見えても、多くの金属ガラスは作製法にかかわらず似た強度や破壊挙動を示します。この普遍性は、恒久的な構造欠陥が強度を決めるという従来の図式がここでは当てはまらないことを示唆しています。

小さな原子のチームを見つける

研究者はしばしば「せん断変換ゾーン（STZ）」について語ります。これは金属ガラスにせん断がかかったときに原子が集団的に再配列する小領域です。これまでSTZは、変形イベントの後にどの原子が大きく動いたかや局所応力の変化を見て同定され、そのあとでどの原子が関与したかを推測してきました。しかしこのアプローチはあいまいで、しきい値の違いでゾーンの大きさが変わり、原因と結果の区別がつきにくくなります。本研究では、著者らは無熱準静的せん断シミュレーションと新しい「凍結原子解析」を用います。まずシミュレーションで応力降下イベントを見つけ、発生直前まで巻き戻してから、再び多回にわたり緩和を実行します。その際、毎回ひとつの原子の運動を人工的に凍結します。ある原子を凍結したことでそのイベントが起きなくなるなら、その原子は協調群――STZの「コア」――に不可欠とみなされます。これを全原子に対して繰り返すことで、変形を引き起こすために協調して動く最小クラスタを明確に突き止めます。

弱点ではなく、引き金となる群

凍結原子解析は、各変形イベントが数十個の原子からなるコンパクトなコア（平均で約40個、多い場合は100個弱）によって支配され、これらが一緒に動くことで応力が緩和することを示します。これらのコアは材料中に点在し、同じ場所で繰り返されることは稀です。著者らがせん断を加える前のコア原子の構造や剛性を調べると、特別な特徴は見られませんでした。ボロノイ解析で表される局所的な幾何学的環境や局所せん断弾性率は他の原子と変わりません。言い換えれば、後にトリガー群を形成する原子は、未変形のガラス中に明らかな「軟弱点」や識別可能な欠陥として座しているわけではありません。応力・ひずみ場の変化がうまく重なれば、どの領域でもトリガーになり得ます。

局所的な引き金からアバランチへ

シミュレーションはまた、応力降下中にこれらのトリガー群が周囲とどう相互作用するかを追跡します。STZコア内部では、いくつかの原子がどの隣接原子と結びつくかを変える――著者らが局所構成励起と呼ぶ出来事――が発生します。これらの結合の切り替えは周囲の原子に非一様（非アフィン）な動きを引き起こします。多くの場合、この局所的な乱れが隣接するSTZコアを活性化し、連鎖的なイベントを引き起こします。その結果、小さく予測困難な引き金がはるかに大きな再配置に広がる「アバランチ（雪崩）」的な塑性変形が生じます。興味深いことに、応力降下の大きさは広がりのあるべき乗則に近い分布に従う一方で、コア内の原子数は狭くクラスタしており、放出される応力と単純に比例しません。つまり大きなアバランチは巨大なコアから生じるのではなく、どれだけ多くのコアが連鎖的に誘発されるかによって生まれます。

ガラス状材料の破壊を再考する

専門外の人にとっての要点は、金属ガラスでは破壊が多くの結晶で見られるような先天的に刻み込まれた欠陥によって支配されるのではない、ということです。代わりに、材料の応答は小さく一時的な原子のチームによって決まり、これらは弾性的に結合して協調して動き、イベントの終了とともに解散します。こうしたトリガー群はほぼどこにでも現れ、互いに作用して急激でアバランチ状の滑りを引き起こすことがあります。協調的な原子運動を変形の真の「スイッチ」として認識することは、さまざまな金属ガラスが似た振る舞いを示す理由を説明し、地震や顆粒流のように小さな引き金が大きな事象につながる他の系との関連づけにも役立ちます。

引用: Shiihara, Y., Iwashita, T., Adachi, N. et al. Cooperative atomic motion during shear deformation in metallic glass. Nat Commun 17, 1604 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68308-4

キーワード: 金属ガラス, せん断変換ゾーン, 協調的な原子運動, 塑性変形, アバランチ力学