単一相固体における配向依存の結晶性および非晶質秩序

秩序と無秩序が隣り合って存在するとき

私たちの身の回りの多くの材料は二つのはっきりしたカテゴリに分けられます。タイルのように繰り返し並ぶパターンを持つ結晶と、液体が固まったかのように原子が無作為に並ぶガラス（非晶質）です。本研究はその中間にある驚くべき状態を明らかにします：ある固体が二つの方向ではガラス状であり、第三の方向では結晶状であるというものです。こうした秩序と無秩序の異例の混合は、バッテリーや半導体などの身近な材料の考え方や、原子レベルからの設計手法に影響を与える可能性があります。

新しいタイプの原子ジグソーパズル

結晶は長距離にわたる秩序によって定義されます。いくつかの原子の位置が分かれば、より多くの原子の位置を予測できます。窓ガラスのような非晶質材料は、この繰り返し秩序を欠きますが、最も近い近傍とは一定の間隔を保ちます。数十年にわたり、パターンが数原子程度の距離でしか延びない中距離秩序の記述をめぐって議論が続いてきました。本論文の著者らは別の視点を取ります：材料全体が秩序的か無秩序的かを問う代わりに、同一固体の内部で異なる方向が異なる振る舞いを示すかどうかを問うのです。

隠れたパターンを持つ層状ロッド

研究チームはパルスレーザー堆積法を用いて、ニオブ・タングステン・酸素（Nb–W–O）を含む微小なロッドからなる薄膜を作製しました。パルスレーザー堆積はセラミックターゲットに短いエネルギーパルスを当て、結晶基板上に材料を成長させる技術です。よく知られた結晶性基板であるチタン酸ストロンチウムを異なる面で切ったものを用いることで、Nb–W–Oロッドの成長方向を制御できました。電子顕微鏡像は、各ロッド内部で単一の層内の原子が面方向には無秩序でガラス状の配置をしていることを示しました。一方で、垂直方向に沿って見ると、これらの無秩序な層が数百原子層にわたりほぼ一定の規則正しい間隔で積み重なっていることが分かりました：ガラス状のシートから成る結晶です。

近接で見るランダムネス

層がどれほどランダムであるかを検証するために、研究者たちはいくつかの強力な手法を組み合わせました。高分解能電子顕微鏡像とそれらのフーリエ変換は、各層の面内に繰り返しパターンがないことを示し、長距離秩序の欠如を確認しました。原子間の典型的な距離を示すペア分布関数測定では、非常に短距離でのみ鋭いピークが現れ、金属原子が酸素に囲まれた八面体ユニットといった基本的な構成要素は存在するものの、それより大きな繰り返しパターンは急速に消失することが示されました。高度なX線吸収法はニオブとタングステンがゆがんだ八面体に位置していることを裏付け、化学マッピングは層内でニオブとタングステン原子が規則的なパターンなしに混在していることを示しました。

結晶のように振る舞う積層されたガラスシート

各層は面内では構造的に無秩序である一方、その垂直方向の積層は決してランダムではありません。シンクロトロンX線を用いた三次元逆格子空間マッピングという手法は、散乱パターンを原子秩序の指紋に変換しますが、ここでは周期的に積み重なった非晶質層のシミュレーションと一致するシート状の特徴を明らかにしました。基板であるチタン酸ストロンチウムの面方位によって、ロッドは1つ、2つ、または3つの優先方向に成長しますが、いずれの場合も層間隔はほぼ同じで、基板結晶の間隔と密接に結び付いています。言い換えれば、基板の結晶が剛性のある定規として働き、ガラス状の層を横方向には無秩序のままにしつつ、主要な軸に沿って結晶的な規則性で積み上げるよう強制しているのです。

この境界領域が重要な理由

この異例の材料は、結晶とガラスの通常の境界が秩序がどれだけ広がるかだけで決まるのではなく、どの方向を見ているかにも依存することを示しています。単一の固体内で、原子は二次元では連続的なランダムネットワークを形成しながら、第三の方向では完璧なリズムで並ぶことが可能です。この洞察は、性質を調整するための新しい遊び場を科学者に提供します。電気伝導、イオン移動、機械的強度が秩序と無秩序の共存により方向性を強く持つような材料を想像できるでしょう。本研究の特定のニオブ–タングステン–酸化物を超えて、二次元非晶質体の積層を探索・モデル化するためのプラットフォームを提供し、結晶とガラスという馴染みのある世界の中間に位置する固体を記述・測定・設計する方法の洗練に役立ちます。

引用: Xia, R., Li, J., Birkhölzer, Y.A. et al. Orientation-dependent mutual crystalline and amorphous order in a single phase solid. Nat Commun 17, 2646 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69359-3

キーワード: 非晶質材料, 結晶秩序, ニオブタングステン酸化物, 薄膜ナノロッド, 原子構造