熱膨張しない金属のしくみ

2011年09月15日 #ハイライト

図1　線路のレール継ぎ目部分

がたん、ごとん、、、がたん、ごとん、、、電車のBGMに心地よく響く音、これは線路のレールとレールの継ぎ目を電車が通過することで発生する音です。炎天下の真夏、凍える真冬、どんな時でもレールはまっすぐ平行になっていなければ電車が脱線してしまいます。レールは一本一本が長いために、熱くなると膨張するレールの歪みも大きくなります。そのため、レールにはあらかじめ伸びしろとして、隙間が空けられているのです。その隙間ががたん、ごとん、、、という音を起こしているのです。もし、熱膨張しない金属が使われていたらこんな音もしなかったのかもしれません。

図2 インバー合金における鉄(Fe;金色)原子とニッケル(Ni;銀色)原子の配置図の例。Fe原子とNi原子の配置は決まっていないが、面心立方格子となるように配置しています。画像提供：分子科学研究所横山利彦

熱膨張しない!?金属

今から100年以上も前、スイスのギョームという物理学者によって、極低温から室温まで温度が変化しても、ほとんど熱膨張しない金属が発見されました。ニッケル(Ni)と鉄(Fe)の合金で『不変』という意味のinvarからインバー合金と呼ばれています(図2)。この特徴から、今では時計や実験装置の部品など、精密機器に利用されています。

通常、物質は温度の上昇とともに構成する原子の振動が激しくなり、原子同士がぶつからないようにするため、原子間距離が広がり物質そのものの膨張につながります。では、インバー合金はなぜ熱膨張しないのでしょうか？その理由が説明されたのは、インバー合金が発見されてから60年も経ってからのことでした。そのモデルによると、原子は熱振動により原子間距離が広がりますが、温度上昇に伴って原子半径は小さく不安定な「低スピン状態」になります。つまり、原子間距離の膨張と原子半径の収縮が同時に起きて、効果が相殺されるため熱膨張が起こらない、というのです(図3)。しかし、このモデルは室温程度以上の温度でしか実際の挙動と一致せず、100ケルビン(-173℃)以下の低温領域ではうまく説明できていませんでした。そこで自然科学研究機構分子科学研究所の横山利彦(よこやまとしひこ)教授と総合研究大学院大学の江口敬太郎(えぐちけいたろう)氏は、インバー合金がなぜ低温領域でも熱膨張しないのか、その謎の解明に挑みました。

図3　熱振動による熱膨張の模式図一般的な金属では温度上昇に従って、熱振動が激しくなり、原子間の距離が広がるため、金属が膨張する。

インバー合金では温度上昇によって熱振動と同時に原子半径の収縮が起こると考えられている。

熱膨張しない、本当の理由

横山教授らは、KEKの放射光科学研究施設フォトンファクトリーのBL-9Aを利用しXAFS(X線吸収微細構造分光)を用いて、インバー合金の鉄原子とニッケル原子の原子間距離を詳しく調べました。XAFSはある特定の原子について、隣接する原子の種類とその原子との距離を調べられる手法です。横山教授らは、これを温度変化させながら計測し熱膨張を測定しました。すると、鉄原子については原子間距離に変化が無く、熱膨張していないことが分かりました。一方ニッケル原子については温度上昇とともに熱膨張がはっきりと観測されました(図4〇)。

図4　実験値(〇)、量子計算(●, 実線)、古典計算(◇, 破線)で得られたインバー合金の最近接Fe周囲(a)、Ni周囲(b)、格子定数(ｃ)の熱膨張の温度変化。 [縦軸の距離の単位はオングストローム(Å)。1Åは1億分の1mm] Fe周囲はほとんど熱膨張がなく(a)、Ni周囲は熱膨張がはっきりと観測されています(b)。量子計算の結果(●)は実験値(〇)とよく一致しますが、古典計算(◇)は、100ケルビン(K)以下の低温で実験値(〇)と一致せず、むしろ正常な熱膨張と一致しています。(a),(b)に示すように、原子間距離には熱膨張がみられるものの、結晶全体としてはほとんど熱膨張が起こりません(ｃ)。画像提供：分子科学研究所横山利彦

これまでの古典的モデルでは、絶対零度(0ケルビン、-273℃)で原子は完全に静止していることになります。横山教授らは、量子揺らぎのために絶対零度でも原子は動いていると考え、シミュレーションし測定結果と比較しました。量子揺らぎとは、量子力学の不確定性原理の一つで、質量が小さく低温であるほど原子の位置を一点に決められない性質のことです。その結果、低温領域での測定値(図4〇)とシミュレーション値(図4●)が一致することから、低温で熱膨張が起こらない原因が量子揺らぎそのものであることを突き止めたのです。

すでに幅広く活用されている有用なインバー合金について、その特性のメカニズムを解明したことは、材料開発に新たな視点を加えたことになります。鉄とニッケルの合金は熱膨張だけでなく、いろいろな特性が知られています。このようなメカニズム解明によって、新たな機能材料が生み出されるのかもしれません。

この成果は米国の物理学会誌Physical Review Lettersのオンライン版に8月3日に掲載されました。

熱膨張しない金属のしくみ

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