ノーベル化学賞―準結晶の発見―竹内伸

2011 年度ノーベル化学賞が，準結晶を発見したイスラエルのテクニオン工科大学の D. Shechtman 教授に授与された．
Shechtman 教授は電子顕微鏡を用いて金属組織を研究する生粋の金属研究者であり， AlMn 合金の急冷組織を観察中に準結晶を発見したのである．それは 1982 年 4 月のことであったが，論文として発表できたのはその 2 年半後であったので(1) ，準結晶発見の年は 1984 年ということになっている(論文発表に至る経緯は文献(2)参照)．金属研究者がノーベル賞を受賞したことは，われわれ金属の研究に携わる者，特に準結晶の研究に初期から関わってきた者にとって誠に喜ばしい限りである．
Shechtman の受賞理由は「準結晶の発見」である．それ以前は，固体の構造は結晶かアモルファスのいずれかであると信じられてきたが， Shechtman は初めてそれまでの結晶

図1

正 20 面体相発見の論文(1) の 4 名の著者．左から
D. Gratias, J. W. Cahn, D. Shechtman, I. Blech(第 5 回準結晶国際会議にて)．とは異なる新秩序構造をもつ物質を発見し，それを契機として「準結晶」という新物質概念が確立したのである．物質科
学の歴史の中で，物質の原子構造についてのパラダイムを変2000 年の導電性ポリマーの発見， 2008 年の緑色蛍光たんぱ

える画期的な発見であり，ノーベル賞はもっと早く授与されく質の発見があり，物理学賞では 1920 年のインバー合金のてもよかったのではないかと思われる．この発見によって，発見， 1987 年の超伝導セラミックスの発見， 2010 年のグラ

1992 年に，国際結晶学連合によって行われていた「結晶」フェンの発見がある．これを見ても，物理学賞は明らかに物の定義が“特定の原子集団が並進秩序配列している物質”と理的な新規性に重点が置かれていることがわかる．今回の，いう従来の実空間での定義から“本質的に不連続な解説図形

スウェーデン王立科学アカデミーが発表したノーベル化学賞を示す物質”と逆格子空間で定義しなおされたのである．まの科学的背景(3)の記述の殆どのページが準結晶の構造の特異た，物質(ヘリウムを例外として)の基底状態は結晶であると性，新規性に割かれていて，物性に関する記述は 7 行に過アプリオリに考えられていた命題も変えなければならなくなぎない．すなわち，この発見の価値が，物理学への貢献よりった．このように，準結晶の発見は基礎科学(結晶学，固体は，化学物質世界を拡大する“新規秩序構造物質”の歴史的物理学)の根底に関わる大発見であった．

発見が評価されたものと言える．

準結晶の発見に対して，ノーベル物理学賞ではなくノーベ

ノーベル化学賞が単独の研究者に与えられるのもまれであル化学賞が与えられたことに多くの研究者は違和感をもった

る．準結晶発見の最初の論文は 4 名(図)の共著で発表されかも知れない．化学の分野で「準結晶」になじみのある研究たが，ノーベル賞は 1 テーマ 3 名までという制約もあって者はごく少数であること，近年のノーベル化学賞授賞の理由最も 中心的な役割 を果たし た Shechtman だけに与えら れが応用への貢献に大きなウェイトが置かれてきたことからもた．この論文は“並進秩序性を持たない長距離配向秩序金属異例といえるかも知れない．これまで，新物質の発見にノー相”という題名で，準結晶という概念を提唱したわけではな

ベル賞が与えられたのは，化学賞では1934年の重水素発見，

い． Shechtman 以前に，並進秩序とは異なる秩序構造概念

1951年の超ウラン元素の発見，1996年のフラーレンの発見，を提唱していた研究者は，準結晶発見後一躍有名になったペ東京理科大学近代科学資料館・館長(〒1628601 東京都新宿区神楽坂 13)Nobel Prize (Chemistry)―Discovery of Quasicrystal; Shin Takeuchi(Director, Museum of Science, Tokyo University of Science, Tokyo)
Keywords: Nobel prize, quasicrystal, AlMn alloy, icosahedral quasicrystal, CdYb quasicrystal
2011年12月21日受理

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トピックス

ンローズ・パターンの発案者であるイギリスの物理学者の象となっている準結晶合金のほとんどは，蔡グループで発見

R. Penrose(4) と，正 20 面体準結晶の骨格構造である 3 次元された合金あるいはそれらから派生した合金である．一方，ペンローズ格子を提唱していたイギリスの結晶学者の A. L.

準結晶構造が高次元空間の結晶構造から帯・射影法と呼ばれMackay(5) であったが， Penrose には物質の原子構造というる方法で記述できることが確立し，山本は準結晶に関する高観点はなく，Mackay のモデルでは空間充填や準周期性に関次元構造解析法を発展させ(13)，蔡らが作成した良質の単準する考察が不十分であった．“準結晶(quasicrystal)”という結晶の X 線回折データおよび高分解能電子顕微鏡観察結果概念が提唱されたのは， Shechtman らの論文の発表から 1を基に構造解析を進めた．特に，化学的不規則性のない 2の論文(6) である．彼

元系 CdYb 準結晶に関しては，高倉，山本らによりほぼ完

らの論文には Shechtman らの発見については触れられてい全に原子構造の解明がなされた(14)．これらの業績は文献(3)ないが，おそらく Shechtman らの発見の情報に触発されてにも取り上げられて，今回の受賞に大きく貢献している．今提唱したものと推察される．これらの研究者も Shechtman

日の準結晶の研究の発展が，蔡グループによる良質準結晶のと共同授賞には至らなかった．いずれにしても，これまでも発見なくしてありえなかったことを考えると，蔡教授の業績しばしば同様の例が見られるように，それまで人類が認識しも受賞に値するものと思われ，共同受賞に至らなかったのはていなかった新しい概念を提唱することの意義がいかに大き残念なことである．

ヶ月後の D. Levine と P. J. Steinhardt

いかは，電子顕微鏡の 50 年の歴史の中で認識されなかった準結晶の物性研究も幅広く展開されてきた．しかし，準結準結晶の存在が，Shechtman らの論文が発表されるや否や，晶を形成する合金系が限られていることもあり，広く応用展

1, 2 年の内に続々と同種の物質が世界で多数発見された事実

開が期待されるような顕著な物性を示す準結晶の開発はなかで明らかである．それまで，見ていても見えなかったもの，なか難しい状況にある．一方，基礎的な面では，準結晶の安認識できなかったものが認識できるようになることこそ，人定性の起源，準結晶固有の構造の自由度(フェイゾン自由度)類の知的資産への貢献であり， Shechtman の発見が比類のが関わる諸現象，準周期系の特異な電子状態が関わる問題なない価値を持つ所以である．

ど，準結晶固有の興味ある諸問題もまだ十分に解明されてい最初に発見された準結晶は，急冷で生成した準安定相であったため極めて質の悪いものであった．そのため，従来の結ない．今回の受賞が，準結晶の研究にさらなる深化をもたらすきっかけになることを期待したい．

晶の枠組みでも解釈が可能であった．特に，著名な化学者のL. Pauling が強固にその存在を否定したこともあり，世界的文献に広く準結晶という新物質概念が定着したのは 1980 年代の末になってからである．最初の発見以降， Shechtman 博士自身は殆ど準結晶の研究に携わっていなかったが，世界中の多くの研究者の研究の蓄積によって準結晶の世界が大きく拡大し，“準結晶”という新物質概念が確立して Shechtman のノーベル賞受賞に至ったのである．
特に，多数の合金系での良質準結晶の開発とその構造研究の上で最も大きな貢献を行ったのが日本の研究者であるという事実は，我々の誇りとすべきことである．石政らはShechtman の正 20 面体準結晶の発見後すぐに第 2 の新しい準結晶相である正 12 角形相を発見している(7) ．初期の平賀らによる高分解能電子顕微鏡観察(8)を始めとする電子顕微鏡を用いた準結晶構造の研究は日本を中心に行われてきた．特筆すべき貢献は，準結晶の研究を飛躍的に発展させた蔡グループによる良質安定相正20面体準結晶相である AlCu(Fe,Ru, Os )(9) の発見である．その後も Al Pd ( Mn, Re )(10) ，Zn Mg RE ( RE  希 土 類 )(11) ， さ ら に 2 元 系 の Cd Yb(Ca)(12)と続々新しい良質正20面体準結晶を全て蔡グループが発見してきた．今日，準結晶の構造および物性の研究対

ま て り あ 第51巻 第 2 号(2012)Materia Japan( 1 ) D. Shechtman, I. Blech, D. Gratias and J. W. Cahn: Phys. Rev.
Lett., 53(1984), 19511953.
( 2 ) 蔡 安邦現代化学，(2011), Dec. 32
34.
( 3 ) S. Lidin: The Loyal Swedish Academy of Sciences, (2011),Oct., 111.
( 4 ) R. Penrose: Bull. Inst. Math. Appl., 10(1974), 266.
( 5 ) A. L. Mackay: Sov. Phys. Crystallogr., 26(1981), 517522.
( 6 ) D. Levine and P. J. Steinhardt: Phys. Rev. Lett., 53(1984),24772480.
( 7 ) T. Ishimasa, H. U. Nissen and Y. Fukano: Phys. Rev. Lett., 55(1985), 511
514.
( 8 ) K. Hiraga, M. Hirabayashi, A. Inoue and T. Masumoto: Sci.
Rep. RITU A, 32(1985), 309314.
( 9 ) A. P. Tsai, A. Inoue and T. Masumoto: Jpn. J. Appl. Phys., 26(1987), L1505L1507.
(10) A. P. Tsai, A. Inoue, Y. Yokoyama and T. Masumoto: Mater.
Trans. JIM, 31(1990), 98103.
(11) A. Niikura, A. P. Tsai, A. Inoue and T. Masumoto: Philos.
Mag. Lett., 69(1994), 351355.
(12) A. P. Tsai, J. Q. Guo, E. Abe, H. Takakura and T. J. Sato: Nature, 408(2000), 537538.
(13) A. Yamamoto: Acta Cryst. A, 52(1996), 509
560.
(14) H. Takakura, C. P. Gomez, A. Yamamoto, M. de Boissieu andA. P. Tsai: Nature Mater., 6(2007), 5863.

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