並び方に、前例がなかった
物質の顔つきを決めるのは、材料だけではありません。
鉛筆の芯の黒鉛と、ダイヤモンド。どちらも炭素だけでできています。
違うのは原子の並び方だけです。それだけで、柔らかい黒い粉と、世界一硬い宝石に分かれます。
金属も同じです。同じ材料でも、原子がどう積み上がるかによって、硬さも、粘り強さも、錆びやすさも変わります。
そこで研究者たちは、ケイ素の多い4粒目について、原子の並び方を調べました。
浮かびあがってきたのは、立方体の枠の中に、原子が一つひとつ決まった席におさまった姿でした。
金とアルミニウムの化合物などで知られる形です。
形そのものは、以前から知られていました。
しかし鉄とケイ素をたっぷり含んだこの顔ぶれが、その形をとっている例は新発見でした。
金属の世界には、たくさんの種類を混ぜることで強くなる合金があります。
混ぜることで元素が席を奪い合って雑然と並ぶからこそ、原子が動きにくくなり、丈夫になるのです。
4粒目に含まれていたのは、ケイ素のほかに鉄、クロム、ニッケル、マンガン、モリブデン、アルミニウム。
この顔ぶれと比率だけを見れば、ステンレスと同じように、元素は入り混じって並ぶはずでした。
ところが、この粒はそうなっていませんでした。
複数の元素を含みながら、原子の配置にははっきりした秩序があるという、報告例のない、規則正しい立方体の構造をとっていたのです。
さらにケイ素の原子のまわりを見ると、12個の金属原子が、サイコロを二十面にしたような、少しゆがんだ殻をつくって取り囲んでいることもわかりました。
この「12個で囲む」かたちは、準結晶と言われる構造に見られるものでもあります。
今回発見された合金は準決勝そのものではありませんが、原子の集まり方は、局所的に準結晶によく似た顔つきをしていました。
ビンディ氏はこの点について「これは、核爆発が既存の物質を単に溶かしたり変形させたりするだけでなく、複雑で規則的な結晶合金を作り出すことができることを示しています」と述べています。
では、なぜそんな並びが残ったのでしょうか。
火の玉の中では、あちこちの材料から出てきた金属が、いっせいに蒸気になりました。
ふだんなら顔を合わせることのない元素どうしが、逃げ場のない場所に押しこめられたようなものです。
それが溶けた金属の小さな玉になって集まり、次の瞬間には固まりました。
合金の原子は、時間さえあれば、入り乱れた状態に落ち着きます。
けれどヒロシマアイトの生成には時間がありませんでした。
研究者たちは、急に冷やされたせいで、雑然とした並びになる前の規則正しい状態で固定されてしまったと考えています。
ビンディ氏は「どんなに小さな液滴も、事実上、それぞれが独立した実験になるのです」と言います。
ごく小さな器の中で、その場かぎりの配合が決まり、そのまま固定されるからです。
広島の上空で、そんな試行が数千とも数百万ともつかない数、同時に走りました。
そのうちのたった一つがこの合金を作り、たまたま砂浜まで流れ着き、人の手に拾われたのです。
これほど鮮やかな結果が出ると、もっと調べたくなるところですが、研究者たちは慎重です。
論文でも、こうした残骸を扱う研究は、倫理と法にきちんと管理されたかたちで進められるべきだと書き添えています。
数マイクロメートルの記録装置
こうした粒には、地味ですが確かな使い道があります。
ひとつは「核鑑識」。残骸から爆発の中身を割り出す、いわば科学捜査です。
含まれている元素をたどれば、何が爆発に巻きこまれたのかがわかります。
原子の並び方からは、どこまで温度が上がり、どれくらいの速さで冷えたのかが読み取れます。
ビンディ氏によれば、こうした粒は「爆発時の装置の材料、周囲の環境、熱と化学の条件についての情報を、そのまま抱えこんでいる」といいます。
公表されていない核実験の痕跡をたどる手がかりにもなり得ます。
ビンディ氏は「数十年たったいまでも、たった数マイクロメートルの粒が、一瞬しか存在しなかった状況をこまかく記録していることがあります」「これらは、単に溶けた破片ではありません。爆発そのものの記録なのです」と述べています。
さらに今回の研究成果は、金属を作る側の人々にとっても興味深いものです。
鉄とクロムとニッケルの組み合わせは、錆びにくい材料の土台になっています。
そこにケイ素と少しのアルミニウムが加わり、しかも原子がきちんと整列した形におさまると、原子どうしの結びつき方そのものが変わります。
硬さや、熱への強さ、磁石としてのふるまい。まだ誰も試していない組み合わせが、この形の中に眠っているかもしれません。
使えそうなのは、成分表ではなく設計図のほうです。
この並び方を手本にすれば、もっと現実的な材料にたどり着けるかもしれません。
溶かした金属を一気に冷やす方法、粉末から固める方法、3Dプリンターのように積み上げる方法。核爆発を起こさなくても、既存の技術で近い構造を探せる可能性があるといいます。
ビンディ氏も「もしこれが広く成り立つ話なら、原爆の残骸は、隕石の衝突や落雷といった自然界の激しい現象にも当てはまる、物質の生まれ方の原理を解き明かす助けになるかもしれません」と述べています。
ただし、ここまでの話はすべて、直径10マイクロメートルほどの、たった1粒から導かれたもので、すぐに実用的な合金になるわけではありません。
量産方法もわからないからです。
今回の研究には加わっていない、カーネギーメロン大学の物理学者マイケル・ウィドム氏は、ビンディ氏の着眼をこう評しています。
新しい物質を見つけたいなら、それは普通ではない場所にあるはずだ——彼はそのことを正しくわかっている、と。
穏やかな場所に、変わった物質は残りません。
この合金にとっての「普通ではない場所」は、あの朝の広島でした。
原子の並びが新しかったからといって、それを生んだ出来事が和らぐわけではありません。火の玉が飲みこんだのは、鉄骨やガラスや土だけではなかったからです。
生まれるのにかかったのは、数秒でした。見つかるまでには、80年かかりました。そして、その数秒が奪ったものは戻ってきません。
この一粒が記録しているのは、物質の新しい可能性であり、同時に、あの日そこで起きたことなのです。
参考文献
New material was created in Hiroshima nuclear explosion
https://physicsworld.com/a/new-material-was-created-in-hiroshima-nuclear-explosion/
The Hiroshima Bomb Created a Strange Alloy Never Seen on Earth From Vaporized Buildings and Metal
https://www.zmescience.com/science/news-science/strange-alloy-hiroshima/
元論文
Discovery of a multicomponent alloy forged by the Hiroshima atomic blast
https://doi.org/10.1126/sciadv.aeg8299
ライター
川勝康弘: ナゾロジー副編集長。 大学で研究生活を送ること10年と少し。 小説家としての活動履歴あり。 専門は生物学ですが、量子力学・社会学・医学・薬学なども担当します。 日々の記事作成は可能な限り、一次資料たる論文を元にするよう心がけています。 夢は最新科学をまとめて小学生用に本にすること。
編集者
ナゾロジー 編集部
