ヴァレリー レヴィタスは 1999 年にヨーロッパを離れるとき、回転ダイヤモンド アンビル セルを梱包して米国に持ち込みました。彼と彼のグループの研究者らは、そのプレス、ねじりツールのかなり先進的なバージョンを今も使用して、2 つのダイヤモンドの間に材料を押し込み、せん断することで、その場で、実際の実験内で何が起こるかを確認し、研究者自身の理論的予測を検証しています。

たとえば、結晶構造はどのように変化するのでしょうか?それは新しい、そして潜在的に有用な特性を生み出すのでしょうか?せん断により、新しい材料相を作成するためにどの程度高い圧力を加える必要があるかが変わりますか?

それは「高度な力学、物理学、材料科学、応用数学」とアイオワ州立大学アンソン・マーストン工学特別教授でマレー・ハーポール工学部教授のレヴィタス氏は書いている。

Levitas 氏とその共同研究者らによる最新の発見の 1 つは、エレクトロニクスにとって重要な材料であるシリコンが、プレスやせん断によって大きく塑性変形、つまり永久的な変形を起こすと、異常な相変態を起こすということです。

日記ネイチャーコミュニケーションズ最近出版された調査結果。対応著者は Levitas です。そしてアイオワ州立博士研究員であるソーブ・イェスダス氏は、航空宇宙工学そして重要な実験者。共著者は元アイオワ州立のフェン・リン氏。株式会社パンディ、元アイオワ州出身、現在はインドのババ原子力研究センターに勤務。イリノイ州アルゴンヌ国立研究所の高圧共同アクセス チームのジェシー スミス氏は、同グループがその場で X 線回折実験を行った。

研究者らは、高圧下でのシリコンの変化については多くの研究が行われているが、圧力下でのシリコンや塑性せん断変形については研究されていないことを認めている。このケースでは、100 万分の 1 メートル、100 億分の 300 メートル、1000 億分の 1 メートルという 3 つの粒径のシリコンを回転ダイヤモンド アンビル セルの固有の歪みにさらしました。

このような「塑性ひずみによって引き起こされる相変態は全く異なり、多くの発見が期待できる」と研究者らは書いている。

直径1000億分の1メートルのシリコンサンプルを室温で実験したところ、一般的な圧力測定単位である0.3ギガパスカルの圧力と塑性変形により、シリコンのいわゆる「Si-I」結晶相が「Si-II」に変化することが判明した。高圧単独では、その変化は 16.2 ギガパスカルで始まります。

「圧力は54分の1に減少する」と著者らは書いている。

これは画期的な実験結果だ、とレヴィタス氏は言う。

「我々の目標の一つは、変革のプレッシャーを軽減することだ」と同氏は語った。「つまり、私たちは他の研究者が通常無視する非常に低い圧力の領域で研究を行っているのです。」

さらに、研究者らによる材料変形の目的は、材料サンプルの形状やサイズを変えることではない、と同氏は述べた。

「重要なのは微細構造を変えることだ」とレヴィタス氏は語った。「それにより、相変化を引き起こす変化が起こります。」

そして、さまざまな相のさまざまな結晶格子構造（この論文ではシリコンの 7 つの相について考察しています）は、現実の産業用途で役立つ可能性のあるさまざまな特性を提供します。

「最適な電子的、光学的、および最適な方法を使用して、望ましいナノ構造の純粋な相または相の混合物 (ナノ複合材料) を取得します。機械的特性この技術なら可能だ」と研究者らは書いている。

これは業界にとって興味深いと思われる技術です。

「これらの相転移を非常に高い圧力で行うことは、産業界にとって現実的ではありません」と Levitas 氏は述べた。「しかし、塑性変形を使えば、伝統的にこれらのことを実現できます。高圧非常に適度な圧力で相、特性、用途を実現します。」

これらの重要な問題について 20 年間考え、理論化した後、レビタス氏は、回転ダイヤモンド アンビル セル内のひずみに対するシリコンの異常な反応を予想していると述べました。

「低圧での相変態を予想していなかったら、決してチェックしなかっただろう」と同氏は語った。「これらの実験は、私たちのいくつかの理論的予測を裏付けるものであり、理論に新たな挑戦をもたらすものでもあります。」