結晶の細い帯はなぜまっすぐ成長しないのか

巻いた結晶の帯を見ると、微小な構成要素が初めからねじれていたように思える。Wenhao Shao、Zhichen Nian、Yuan Luらが学術誌Nature Synthesisに発表した研究は、別の仕組みを示した。層状金属ハロゲン化物ペロブスカイトという、有機成分と無機骨格が重なった結晶が、分子自体には左手型・右手型の区別がない材料から、ねじれた帯とらせんを形成した。

食い違いは組み立て方にある。水素結合という隣り合う構造単位を引きつける相互作用でつながった有機の網目が、層の両面で両立しない向きに並ぶ。平らな帯は双方の変形の傾向を同時に満たせない。曲がれば、変形によって蓄えられた弾性的なひずみの一部を逃がせる。研究者がいう幾何学的フラストレーションとは、構造上の制約により各部分が望む平らな配置を同時に取れないことだ。

この説明を調べるため、チームは水溶液で結晶を育て、ねじれた帯、らせん、平らな形を比べた。顕微鏡で形を観察し、回折、すなわち放射線が規則的な原子配列で一定のパターンに散る現象を使って内部を調べた。さらに分子動力学シミュレーションという構造単位の動きと相互作用の計算、および力学的解析で網目と変形を結びつけた。これは観察とモデルに支えられた推論であり、個々の結合が帯を引く様子を直接撮影したわけではない。

研究者はドーピングと呼ぶ少量の別成分の添加も行い、成長速度を変えた。論文の要旨によれば、帯状のねじれかららせんへの連続的な変化が生じ、制御した成長条件ではほぼすべての帯が一方向にねじれた。ジョージア大学New Materials InstituteのKat Yancey Gilmoreによる記事には、長さ約1ミリメートルの一本に86回のねじれがある例が紹介されている。これは一つの実例であり、全体の平均回数ではない。

できた形にはキラリティー、つまり左手と右手のように鏡像と重ねられない性質がある。出発分子にはその性質がない。一方向のねじれが優勢な試料は、逆向きの円偏光に異なる反応を示した。円偏光は光の電場が互いに逆向きに回転する状態を指す。この結果は内部の並び方で形と光学応答を制御する実験室での道筋を支持するが、完成したセンサーやディスプレー、工業生産を示すものではない。応答の安定性と装置での利点は今後の測定課題だ。