2026/05/14 23:32

天然存在の準結晶

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要約▶

Japanese Translation:

科学者たちは、準結晶——独自かつ繰り返さない幾何学的パターンを有し、通常は研究室のみで存在すると考えられていた材料——が自然に存在するという長年受け入れられてきた信念を覆す発見を発表した。この発見は、5 つの明確な天然産生の標本の存在を確認している：その内 3 つはロシア遠東部におけるハティルカ隕石（超高速の小惑星衝突により形成）で見出され、残り 2 つは地球由来の現象に起因するものである。隕石に含まれる標本には、完全な三次元二十面体対称性を有するイコサエダライト（Al63Cu24Fe13）、二次元で十重対称性を持つデカゴンアイト（Al71Ni24Fe5）、および二十面体対称性は持つが組成が異なる i-Phase II（Al62Cu31Fe7）が含まれる。地球上では、ハイアンニス近郊の落雷により形成されたフルグリトの内部にネブラスカ州で 4 つ目の準結晶が特定され、この Mn-Si ベースの変種（~Mn72.3Si15.6Cr9.7Al1.8Ni0.6）は 12 重対称性を示し、高電流・高温・急速冷却事象によって生成された新しい準結晶タイプとしては初めてであるが、その起源については自然発生か人為的なものかの間で若干曖昧さを残している。さらに、5 つ目の標本はニューメキシコ州のトリニティ原子爆弾試験場において、融着した廃棄物（砂漠の砂と銅ケーブル）の中から発見され、二十面体対称性を有し組成式 Si61Cu30Ca2Fe2 を持つことで、他とは異なる偶然的合成を示している。これらの発見は、PNAS（2012 年、2016 年、2021 年、2023 年）や IUCrJ の主要な学術誌に掲載され、自然界が稀な衝突および集中的なエネルギー事象を通じてこれら超複雑な金属構造を自発的に生成できることを示しており、地質歴史および天体物理学データの再評価を必要としている。以前は、既知のすべての他の準結晶が実験室で製造されたものだと考えられていた。

サマリー:

科学者たちは、準結晶——独自かつ繰り返さない幾何学的パターンを有し、通常は研究室のみで存在すると考えられていた材料——が自然に存在するという長年受け入れられてきた信念を覆す発見を発表した。この発見は、5 つの明確な天然産生の標本の存在を確認しており、材料科学の基盤を根本的に再定義している。その内 3 つはロシアのハティルカ隕石に含まれられ、残り 2 つは地球由来の現象に起因するものであり、具体的には落雷と原子爆弾試験である。特に、イコサエダライトやデカゴンアイトといった鉱物はハティルカ隕石内で特定されたが、マンガンケイ素変種はネブラスカのフルグリト（落雷によって砂を加熱して形成された管）内に発見された。さらに、トリニティ原子爆弾試験場の廃棄物分析から、極端な熱による瞬間的な融合で生成された複雑な対称性を有するケイ素・銅合金が明らかとなった。これらの発見は PNAS などの主要学術誌に記録されており、自然界が迅速な衝突および集中的なエネルギー事象を通じてこれら超複雑な金属構造を自発的に生成できることを示している。したがって、研究員たちは地質歴史および天体物理学データを再評価し、これらの自然発生合金を考慮する必要があり、実験室合成のみがこのような希少材料を創出する方法ではなかったことを証明している。

キーポイントリスト

ロシア遠東部のハティルカ隕石内で 3 つの自然産生の準結晶が発見されており、アルミニウムを含む金属であり超高速小惑星衝突によって形成されたことが特徴である。
最初に発見されたものはイコサエダライト（Al63Cu24Fe13）であり、D6 ラティスからの「切片と射影」法を用いて数学的に記述された完全な三次元二十面体対称性を有する。
次に発見されたものはデカゴンアイト（Al71Ni24Fe5）であり、A₄ ラティスから導出された二次元で十重対称性を持つ積層準結晶である。
3 つ目に発見されたものは i-Phase II（Al62Cu31Fe7）であり、二十面体対称性を持つがアルミニウムより銅の割合が多く組成が異なるものである。
ネブラスカのハヤニス近郊に落雷やアークにより形成された「フルグリト」の内部で 4 つ目の準結晶が特定され、倒れた送電線近くでの自然発生か人為的なものの起源について曖昧さが残っている。
このネブラスカ標本は組成が約 Mn72.3Si15.6Cr9.7Al1.8Ni0.6 であり、非繰り返す原子面上で 12 重対称性を示し、地球表面での高電流・高温・急速冷却事象によって生成された新しい準結晶タイプとしては初めてである。
ニューメキシコのトリニティ原子爆弾試験場において、砂漠の砂と銅送電ケーブルの廃棄物内で融着した 5 つ目の準結晶が発見された。
トリニティ標本は二十面体対称性を有するが主にケイ素からなり組成式 Si61Cu30Ca2Fe2 であり、他とは異なる偶然的合成を示している。
引用論文には、イコサエダライト、デカゴンアイト、i-Phase II、ネブラスカの十二面体準結晶、およびトリニティ原子爆弾試験場準結晶に関する「Proceedings of the National Academy of Sciences」（2012 年、2016 年、2021 年、2023 年）および「IUCrJ」に掲載された研究が含まれる。
既知のすべての他の準結晶は自然ではなく実験室で製造されたものと信じられている。

本文

私は準結晶（じゅんけつきょう）をとても愛しています。それらは、規則的なパターンが決して繰り返されないという点で通常の結晶とは異なります。ペノーズタイルに似たような構造を持ちます。しかし、自然界では非常に希少な存在です。これらは、小惑星同士の高速度での衝突や、砂丘における倒れた送電線への雷撃、あるいは原爆の爆発といった、極めてエキゾチックで激しい出来事によってのみ作り出されます。

驚くべきことに、自然界に存在する準結晶のうち最初の 3 つは、ロシア極東地域のカテリャで見つかった単一の子供星（メテオライト）内で発見されました。これ以外には、これまでどこでも見つかっていないのです！また、この子供星自体が極めて特異なものであり、金属製のアルミニウムを含むことが確認されている唯一の子供星です。これは、小惑星間の超高速衝突によって形成されたものと考えられています。

これ以外に自然界で 생성された可能性がある準結晶は、ネブラスカ州の砂丘にある倒れた送電線が雷を浴びたことにより得られたものです。また、ニューメキシコ州トリニティで行われた最初の原子爆弾試験現場に残された溶融合った砂と銅製の送電ケーブルの中から発見された例もあります。しかし、これは完全に「自然界で生成された」とは言い切れない状況です。

以上のものがすべてです。私が知る限り、それ以外の準結晶はすべて実験室での人工物であるようです。

以下に、カテリャの子供星内に見つかった 3 つ種類の準結晶を、発見順に挙げます：

二十面体石（Icosahedrite）（成分比：Al₆₃Cu₂₄Fe₁₃）なお、これらの数値は割合を表すものです。準結晶は、通常の化合物のように整数比による分子式を持たず、非周期的な性質のためそのような表記ができないからです。二十面体石には完全な 3 次元の二十面体対称性が備わっており、すべての 3 つの方向で準周期構造を示します。この物質を数学的に記述する最も簡単な方法は「切断・射影法」です。まず 6 次元格子をとるそこから、ある 3 次元のスライスを切り出し、それを少し厚くして、そのスライス内にある格子点を選び出し、さらにそれを 3 次元空間へ射影します。この 6 次元の格子は「D₆ 格子」と呼ばれ、各成分が整数からなり、それらの和が偶数のもののみを含む構成になっています。適切な 3 次元部分空間に沿って切断を行うことで、二十面体対称性を示す結果が得られます。この鉱物には相当な数学的要素が含まれています！
十角石（Decagonite）（成分比：Al₇₁Ni₂₄Fe₅）これは「積み重ね」タイプの準結晶です。2 次元方向では 10 回対称の回転対称性と準周期構造を持ち、3 つ目の方向では通常の周期的な積み重ねをしています。この 2 次元のパターンを構築するには、4 次元の A₄ 格子を出発点として切断・射影法を用います。A₄ 格子は、5 つの整数成分からなるものの中で、それらの和がゼロであるようなものを採用することで構成されます。この準結晶の外観はこのようになっています：
i-相 II（i-Phase II）（成分比：Al₆₂Cu₃₁Fe₇）二十面体石と同様に完全な二十面体対称性を有しており、数学的には D₆ 格子を出発点とした切断・射影法によって記述できます。ただし、組成が著しく異なり、アルミニウムの代わりにより多くの銅を含んでいます。これは、実験室で合成される以前に自然界で発見された最初の準結晶組成例です。

ネブラスカで見つかった準結晶は、「天然」という概念がいかに曖昧であることを示しています。それは「閃光石（fulgurite）」と呼ばれるものの中に含まれており、これが雷が砂丘を打った際にできる岩石です。ハイアンヌス近郊のネブラスカ州サンドヒルズで、嵐の際に倒れた送電線の近くから発見されています。この閃光石が雷撃によって形成されたのか、それとも倒れた送電線自体が発生させた放電アーキによるものなのか不確定であり、「天然物か人工物か」という地位は真に曖昧です。

さらに重要なのは、これが地球表面において高電流・高温かつ急速冷却（急速凝固）イベントにより生成された新しい種類の準結晶であるという点です。その組成は概略で Mn₇₂.₃Si₁₅.₆Cr₉.₇Al₁.₈Ni₀.₆ です。原子面構造には、繰り返されないパターンの中に 12 回対称性が備わっており、これらの面は垂直方向に対して周期的に積み重なっています。

この準結晶の画像がこちらです：

参考文献

二十面体石について：カテリャの子供星で発見された最初の天然準結晶に関する文献
- L. Bindi, J. M. Eiler, Y. Guan, L. S. Hollister, G. MacPherson, P. J. Steinhardt, N. Yao、「地外起源を持つ自然生成準結晶に関する証拠」、米国科学アカデミー紀要, 31 (2012), 1396-401.
十角石について：その後に見つかったもの
- I. Buganski, L. Bindi、「十角構造への洞察——地外由来の十角準結晶」、IUCrJ, 8 (2021), 87–101.
i-相 II について：当該子供星で発見された 3 つ目の準結晶に臨時付与された名称
- L. Bindi, C. Lin, C. Ma, P. J. Steinhardt、「宇宙空間での衝突により、以前の実験室では観察されていなかった二十面体相がカテリャの子供星内で生成された」、Scientific Reports, 6 (2016), 38117.
ネブラスカの砂丘で発見された十二次対称準結晶について
- L. Bindi, M. A. Pasek, C. Ma, J. Hu, G. Cheng, N. Yao, P. D. Asimow, P. J. Steinhardt、「電気放電による風成砂丘内での準結晶形成の誘発」、米国科学アカデミー紀要, 120 (2023), e2215484119.
原子爆弾試験現場で見つかった準結晶について
- L. Bindi, W. Kolb, G. N. Eby, P. D. Asimow, T. C. Wallace, P. J. Steinhardt、「初の原子爆弾試験による未知の準結晶への偶発的合成」、米国科学アカデミー紀要, 118 (2021), e2101350118.

これには二十面体対称性が備わっていますが、私が前述した他の準結晶とは大きく異なり、主にケイ素から構成されていることが特徴です。化学式は Si₆₁Cu₃₀Ca₂Fe₂ です。

本エントリーは 2026 年 5 月 14 日（木）午前 9 時 40 分に投稿され、化学・数学のカテゴリーに分類されています。このエントリーへの返信を追跡するには、RSS 2.0 フィードをご利用ください。 ご自身のサイトからレスポンスを残したり、トラックスルーを配信することも可能です。

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