材料科学：テンプレートに方向付けられた共晶凝固におけるアルキメデス格子の出現

テンプレートに方向付けられた集合によって、非常に規則正しい極めて多様なメソ構造が生じることが明らかになっており、少数例ではこうしたメソ構造が天然材料にはない対称性を示す。しかし、高性能タービン翼からはんだ合金まで多様な最新技術を支えている共晶材料には、この技術はまだ適用されていない。今回我々は、柱状のテンプレート内での単純なAgCl-KCl層状共晶材料の方向性凝固を用いて、この材料とテンプレートの相互作用によって、この共晶本来の層状構造やテンプレートの六角形格子構造とは異なる一連の微細構造が現れることを示す。この材料–テンプレート系の凝固速度を変えることにより、サブマイクロメートルサイズの特徴を持つ三つ葉、四つ葉、五つ葉、六つ葉のメソ構造が生じた。フェーズフィールドシミュレーションによって、こうしたメソ構造が六角形配列の柱状テンプレートが拡散に課す制約に起因して現れることが示唆された。我々は、三つ葉のパターンがアルキメデスのハニカム格子に、六つ葉のパターンがアルキメデスの正方形–六角形–十二角形格子に類似していることを見いだした。さらに我々は、テンプレートとして単層のコロイド結晶を使うと、三つ葉や六つ葉を含むさまざまな共晶メソ構造が観測され、前者がアルキメデスのカゴメ格子に類似していることも見いだした。テンプレートを使って共晶から得られる構造は、非相反的メタ表面、磁気スピンアイス系、機械特性が向上したマイクロ格子やナノ格子などに新たに応用できる可能性がある。

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