地球深部の環境を再現し、変形する鉄の姿を解明

地球深部の環境を再現して、鉄の極限状態への対処法を解明 物理
©SLAC

鉄の原子構造の新しい観察結果により、鉄は極度のストレスや圧力を受けると「双晶」を形成することが明らかになりました。

あなたの眼下には、テキサス州の幅ほどの大きさの鉄とニッケルの球体、地球の内核があります。

内核の金属は、私たちの日常生活の約3億6千万倍の圧力と、太陽の表面と同じくらいの温度にさらされています。

地球の惑星コアは幸いにも無傷です。

しかし、宇宙では同じようなコアが他の物体と衝突して、コアの結晶体が急激に変形することがあります。

太陽系内の小惑星の中には、巨大な鉄の物体がありますが、これは惑星のコアが壊滅的な衝突を起こした後の残骸ではないかと科学者たちは考えています。

天体の衝突時や地球のコアで何が起こっているかを測定することは、当然ながらあまり現実的ではありません。

そのため、惑星のコアに関する理解の多くは、それほど極端ではない温度と圧力の下での金属の実験的研究に基づいています。

今回、米国エネルギー省SLAC国立加速器研究所の研究者らは、内核のすぐ外側で発生する圧力と温度による応力に対応するために、鉄の原子構造がどのように変形するかを初めて観測しました。

この研究成果は、米国物理学会誌Physical Review Lettersに掲載され、Editor’s Suggestionとして取り上げられている。

ストレスへの対処

日常的に目にする鉄のほとんどは、ナノスケールの立方体に原子が配置されており、各角に1個、中央に1個の鉄原子が存在します。

この立方体に非常に高い圧力をかけて圧迫すると、六角柱に再配列され、原子がより緊密に詰め込まれます。

SLAC国立加速器研究所のグループは、地球のコアや宇宙からの大気圏再突入時に鉄に起こる現象を真似て、この六角柱の配列に圧力をかけ続けるとどうなるかを調べました。

SLAC国立加速器研究所の高エネルギー密度科学(HEDS)部門の科学者である共著者のArianna Gleason氏は、「内核の条件を完全に満たすことはできませんでした。しかし、惑星の外核の条件を達成したことは、本当に驚くべきことです。」と語ります。

このような高温高圧下でのストレスに対する鉄の反応を直接観察した人はこれまでいなかったため、研究者たちは鉄がどのように反応するかを知りませんでした。

「これまで、高温高圧下での鉄の反応を直接観察したことはありませんでした。鉄はそのストレスを解消する必要があり、そのために最も効率的なメカニズムを見つけようとするのです。」とGleason氏は言います。

鉄がその余分なストレスに対処するために使う対処法は、「双晶」と呼ばれるものです。

原子の配列が横にずれ、六角柱のすべてが90度近く回転します。

双晶は、金属や鉱物の圧力反応としてよく見られるもので、石英、方解石、チタン、ジルコニウムなどが双晶を起こしています。

すべての金属や鉱物に共通する圧力反応です。

鉄原子は、高圧下では六角格子を形成している。さらに高い圧力をかけて超高速で変形させると、"双晶 "と呼ばれるプロセスによって鉄の格子が再編成される。

鉄原子は、高圧下では六角格子を形成している。さらに高い圧力をかけて超高速で変形させると、”双晶 “と呼ばれるプロセスによって鉄の格子が再編成される。左:非双晶、、右:双晶©S. Merkel/University of Lille, France

2つのレーザーの物語

このような極限状態に到達するためには、2種類のレーザーが必要でした。

1つ目は光学レーザーで、鉄のサンプルに超高温・高圧の衝撃波を発生させました。

もう1つは、SLAC国立加速器研究所のリニアックコヒーレント光源(LCLS)のX線自由電子レーザーで、これにより鉄を原子レベルで観察することができました。

「当時、LCLSは、このようなことができる世界で唯一の施設でした。」と、筆頭著者であるフランスのリール大学のSébastien Merkel氏は語ります。

研究チームは、髪の毛の幅ほどの小さな鉄のサンプルに両方のレーザーを照射し、熱と圧力の衝撃波を鉄に与えました。

「コントロールルームは、実験室のすぐ上にあります。」とMerkel氏は言います。

放電を開始すると、「ポーン」という大きな音がします。

衝撃波が鉄に当たると、研究者たちはX線レーザーを使って、衝撃が鉄の原子の配列をどのように変化させるかを観察しました。

「10億分の1秒単位で測定することができました。ナノ秒の間に原子の位置を固定することができたのは、非常にエキサイティングなことでした。」とGleason氏は言います。

研究者たちは、これらの画像を集めて、鉄が変形する様子を示すフリップブックを作成しました。

実験が完了するまでは、鉄の反応が速すぎて測定できないのか、遅すぎて見ることができないのか、わからなかったのです。

「測定可能な時間スケールで双晶が発生したことは、それ自体が重要な結果です。」とMerkel氏は言います。

未来は明るい

今回の実験は、鉄の振る舞いを理解する上で、ひとつの区切りとなるものです。

科学者たちは、低温・高圧下での鉄の構造に関する実験データを集め、それをもとに超高温・高圧下での鉄の挙動をモデル化していましたが、そのモデルを実験的に検証した者はいませんでした。

「今では、本当に基本的な変形メカニズムの物理モデルについて、肯定的にも否定的にも評価することができます。これは、極限状態での材料の反応をモデル化する際に不足していた予測能力を高めるのに役立ちます。」

今回の研究では、超高温高圧下での鉄の構造特性について、興味深い知見が得られました。

しかし、この結果は、他の材料が極限状態でどのように振る舞うかを理解する上でも、この方法が役立つことを示す有望な指標でもあります。

「このような測定方法が開発されたことで、将来は明るいと思います。LCLS-IIプロジェクトの一環として行われたX線アンジュレータのアップグレードにより、より高いX線エネルギーが得られるようになり、厚い合金や対称性が低く、より複雑なX線指紋を持つ物質の研究が可能になりました。」とGleason氏は言います。

また、今回のアップグレードにより、より大きなサンプルを観察できるようになるため、鉄の原子挙動をより包括的に把握できるようになり、統計データの精度も向上します。

さらに、「MEC-Uと呼ばれる新しいフラグシップのペタワットレーザー施設の建設を進める承認を得たことで、より強力な光学レーザーを手に入れることができます。地球の内核の状態に問題なく到達できるようになるので、今後の研究はさらにエキサイティングなものになるでしょう。」とGleason氏は言います。

Published by SLAC National Accelerator Laboratory. Sébastien Merkel et al, Femtosecond Visualization of hcp-Iron Strength and Plasticity under Shock Compression, Physical Review Letters (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.205501