「セメント」は、コンクリートやモルタルなどを作るときに水や溶液に混ぜ合わせて硬化させるための粉のことで、その生産量は世界で410万トンに上ります。セメントを作るときや、セメントと水を混ぜ合わせてコンクリートを作るとき、多くの二酸化炭素(CO₂)が放出されていて、環境への影響はあるものの、強度や耐久性の点で、今も世界中でコンクリートが使われています。「Ferrock」は、このコンクリートの利点を備えつつ、抱える問題をクリアしています。

Ferrock: A Stronger, Greener Alternative to Concrete?
https://buildabroad.org/2016/09/27/ferrock/
https://i.gzn.jp/img/2019/01/22/ferrock/01.png

Ferrockを「発見」したのはアリゾナ大学のデビッド・ストーン氏。環境化学の博士課程で、鉄が錆びて固くなってしまうのを防ぐ方法を模索している中で偶然にたどり着いたものだったそうです。

続きはソースで

https://i.gzn.jp/img/2019/01/22/ferrock/00.jpg
https://i.gzn.jp/img/2019/01/22/ferrock/01.png

GIGAZINE
https://gigazine.net/news/20190122-ferrock/

ストーリー by hylom 2017年08月15日 16時57分意外に未知だったガラス 部門より

masakun曰く、
J-PARCセンター施設公開2017のストーリーでリンク先にアクセスしたとき気付いたが、産総研の触媒化学融合研究センターのプロジェクトチームがガラスの基本単位であるオルトケイ酸の結晶化に成功したと報じられている
（J-PARCプレス発表、EE Times Japan）。
http://j-parc.jp/ja/topics/2017/Press170727.html
http://eetimes.jp/ee/articles/1708/01/news084.html


19世紀前半にイェンス・ベルセリウスにより溶解性のシリカ （オルトケイ酸） が発見されたが、その組成が「ケイ素上に4つの水酸基-OHが結合した分子構造」であることが分かったのは20世紀に入ってから。
しかもテトラアルコキシシランや四塩化ケイ素の加水分解によってオルトケイ酸は生成するが、速やかに脱水縮合しシリカに変わるため、今まで単離できず詳細な構造は不明だった。
そこで産総研では水を使わないオルトケイ酸の合成反応を開発し、オルトケイ酸と加えたアンモニウム塩からなる単結晶を得ることに成功。
「X線結晶構造解析の結果、オルトケイ酸は正四面体構造であり、ケイ素-酸素結合の平均結合長は0.16222ナノメートルで、酸素-ケイ素-酸素結合の平均結合角は109.76度であった」。

続きはソースで

https://science.srad.jp/story/17/08/15/0619257/

アポロ計画で回収した月の岩石試料からシリカの高圧相を発見 - 広島大など | マイナビニュース
http://news.mynavi.jp/news/2015/07/01/427/
月表層の岩石試料（アポロ試料）から高圧相を世界で初... | プレスリリース | 東北大学 -TOHOKU UNIVERSITY-
http://www.tohoku.ac.jp/japanese/2015/07/press20150701-02.html
http://www.tohoku.ac.jp/japanese/newimg/pressimg/tohokuuniv-press20150701_02web.pdf

画像
http://n.mynv.jp/news/2015/07/01/427/images/001l.jpg
今回用いられた試料「Apollo 15299」。さまざまな岩石の破片である角レキ岩と火山岩である玄武岩を含む。スティショバイトが発見されたのは角レキ岩の部分。
http://n.mynv.jp/news/2015/07/01/427/images/002l.jpg
「Apollo 15299」でスティショバイトの電子顕微鏡写真


広島大学、東北大学、千葉工業大学は7月1日、アポロ15号計画で回収された月表層の岩石試料からシリカ(SiO2)の高圧相であるスティショバイトを発見したと発表した。

同成果は、広島大学大学院理学研究科の宮原正明 准教授、東北大学大学院理学研究科の大谷栄治 教授、千葉工業大学の荒井朋子 上席研究員らを中心とした研究グループによるもので、米国鉱物学会が発行する「米国鉱物学雑誌」に掲載された。

月のクレーターや、月の表層を覆う岩石層は激しい天体衝突の名残と考えられている。巨大な物体が光速で衝突すると、地表では衝撃波によって瞬間的な高圧力状態が発生する。
月の表層を構成する鉱物の1種であるSiO2に高い圧力を加えると、より高密度な物質(高圧相)であるスティショバイトというに変化することが知られている。

これまでの研究で、天体が月に衝突した際に地球へ落下したとされる月の岩石にはスティショバイトが含まれていることが確認されているが、アポロ計画で回収された月の表層試料からはスティショバイトがみつかっていなかった。

今回用いられた試料「Apollo 15299」は、月の「雨の海」と呼ばれるエリアに位置するハドレー谷の近くで回収されたもの。

続きはソースで

硬さと割れにくさ両立したセラミックス実現に道―わずかな亀裂進展で靭性が急激に増すことを発見― | 東工大ニュース | 東京工業大学
http://www.titech.ac.jp/news/2015/031545.html

画像
http://www.titech.ac.jp/news/img/n000879_wakai_fig1.jpg
図1. ビッカース硬度と破壊靱性の関係
http://www.titech.ac.jp/news/img/n000879_wakai_fig2.jpg
図2（b）. 破壊抵抗と亀裂進展長さとの関係
http://www.titech.ac.jp/news/img/n000879_wakai_fig4.jpg
図3. 破壊誘起アモルファス化による亀裂進展抵抗の増加
http://www.titech.ac.jp/news/img/n000879_wakai_fig5.jpg
図4. 二酸化ケイ素の結晶構造


（前略）


背景

砂や岩石の主成分である二酸化ケイ素（シリカ、SiO2）はありふれた物質であり、石英（水晶）やシリカガラスとして利用されているが、脆く、割れやすいという欠点がある。シリカの高圧相であるスティショバイトは酸化物の中で最も硬く、ダイヤモンドと立方晶窒化ホウ素（c-BN）に次ぐ硬さをもつ優れた材料である。だが、その単結晶は石英やシリカガラスと同様に割れやすいものであった。

2012年に西山博士は愛媛大学地球深部ダイナミクス研究センター（GRC、入舩徹男　センター長＝愛媛大学教授）で、ナノ多結晶スティショバイトの合成に成功し、割れにくさの指標である破壊靭性が10～13 MPa・m1/2[用語3]とセラミックスの中で最も高い値をもつ材料であることを発見した。

図1に示すとおりセラミックスは一般的に硬いものほど割れやすい傾向があるが、ナノ多結晶スティショバイトは硬さと割れにくさを併せもつセラミックスである。つまり、シリカという地球上にありふれている物質から優れた機能をもつセラミックスが合成でき、資源の制約のない持続可能社会に適した材料であるといえる。

ナノ多結晶スティショバイトの高い破壊靭性の起源は常圧で準安定なスティショバイトが亀裂先端の巨大な引張応力によって局所的に結晶相からアモルファス相に相変態する「破壊誘起アモルファス化」[用語4]と関連している。スティショバイトの破壊した表面には数十nm（ナノメートル）の厚さのアモルファス相が存在することがX線吸収端近傍構造（XANES[用語5]）で観察されている。

破壊誘起アモルファス化はスティショバイト以外の多くの高圧相の物質でも起こりうるので、今後、類似の関連物質でさまざまな高靭性材料が発見され、高強度・高靭性セラミックスの開発が大きく
進むものと期待されている。しかし、なぜ強く、丈夫になるのかという理由は明らかになっていなかった。

研究成果

若井所長らの研究グループは、集束イオンビーム（FIB）により加工した微小試験片（図2（a））を用いて、ナノ多結晶スティショバイトの破壊に対する抵抗が亀裂進展とともにどのように増加するかを調べた。
ナノ多結晶スティショバイトの破壊抵抗はわずか1μmの亀裂進展で8 MPa・m1/2まで上昇し、その飽和値は10 MPa・m1/2近く、セラミックスの中でも高い破壊靭性をもつジルコニア（二酸化ジルコニウム）や窒化ケイ素よりもはるかに高かった（図2（b））。また、ナノ多結晶スティショバイトの亀裂進展にともなう破壊抵抗の初期増加率も極めて高かった。

ジルコニアの高い破壊靭性は、亀裂進展に伴って準安定相である正方晶相から単斜晶相への応力誘起変態がおこり、亀裂の周辺に相変態領域が形成されることが、その起源である。
破壊抵抗が飽和値に達するまでに亀裂が進まなければいけない距離は相変態領域の厚みに比例する（図3）。一方、二酸化ケイ素の低圧相である石英やクリストバライトではケイ素（Si）原子は4個の酸素原子に囲まれた4面体構造をとるが、高圧相であるスティショバイトではSi原子は6個の酸素原子に囲まれた8面体構造をとる（図4）。

破壊誘起アモルファス化によって、亀裂先端の高い引張応力によりスティショバイトがアモルファス化する際に100%近い大きな体積膨張が起こる。ナノ多結晶スティショバイトで破壊抵抗が飽和値に達するまでに進まなければならない距離が極めて短かったのはアモルファス化領域の厚みが数10nmと、ジルコニアの相変態領域の厚み数μmに比べてはるかに小さかったためである。

相変態強化が働くときには、相変態に伴う体積変化が大きいほど、また、アモルファス化領域が厚いほど、破壊抵抗の増加量は大きくなる。アモルファス化領域の厚みは薄いけれども、アモルファス化による体積変化率の高いことが、ナノ多結晶スティショバイトの優れた靭性の理由であることがわかった。


今後の展望

亀裂が1μm以下のわずかな距離を進むだけで破壊抵抗が上昇することが見出され、硬くて脆いセラミックスを丈夫にする新しい仕組みが存在することが明らかになった。この発見は微小試験片による破壊抵抗測定技術の進歩により初めて可能になった。この技術を応用して、複雑なナノ構造、サブミクロンスケールの構造をもつセラミックスやナノコンポジットに適用すれば、さまざまな未知の靭性強化機構が見出される可能性があり、高強度・高靭性セラミックスの研究開発に新たな飛躍と展開をもたらすと期待される。

詳細・続きはソースで