一般に用いる材料は多結晶として用いられる場合が多く、その強度は結晶粒界の強度に左右されています。したがって、材料開発の現場では、種々の第二元素を添加し、粒界に第二元素を偏析させることで、材料強化を行う手法がとられています。しかし、粒界がどのように破壊し、偏析元素がどのような役割をしているかが現在においても原子レベルではよく分かっておらず、材料設計のための基本的な要素がブラックボックスになっていました。
東京大学栃木助教、柴田教授、幾原教授らは透過型電子顕微鏡法（TEM）を用いたナノスケールの応力印加その場観察を行うことで、偏析粒界を進展する亀裂をリアルタイムで可視化することにはじめて成功しました。
従来、亀裂の伝播はエネルギー最小となるように粒界に沿って直線的に破壊するものと考えられており、粒界破壊エネルギーの計算など材料設計に必要なパラメータは、破壊が粒界に沿って直線的に生じることを仮定して解析されてきました。しかし、偏析粒界における亀裂伝播過程を詳細に解析した結果、亀裂は偏析層の中をジグザグに進展することが判明しました。原子分解能走査透過型電子顕微鏡像示すようにアルミナ粒界には原子レベルで3層のジルコニウム偏析層が存在します。これをその場破壊させると片側の結晶には2層のジルコニウム層が残り、もう一方の結晶にも2層のジルコニウム層が残ります。この結果は、亀裂がジルコニウム偏析層の真ん中をジグザグに進展したことを示しています。このような破壊形態はこれまでに予想されなかったことですが、その場破壊実験によりはじめて明らかとなりました。このジグザグ破壊のエネルギーを第一原理計算した結果、この破壊形態がエネルギー的にも低いことが判明しました。
本結果は、粒界に偏析する元素の種類によって材料強度が異なることを示唆しています。本研究成果は粒界の材料強度特性への影響に関して基礎的知見を与え、今後、粒界制御により同一材料でも高強度な構造材料を創製するための設計指針に繋がる重要な成果となります。
本研究成果は、学術誌「Nature Communications」に掲載されました。
多結晶と粒界破壊の模式図とナノインデンテーションその場粒界実験の場観察結果（ビデオのキャプチャー像） (a) 材料は多結晶で構成されており、多数の粒界が存在する。粒界をナノインデンテーションで破壊させる模式図。 (b) その場観察実験の様子。ナノインデンテーションにより粒界に沿って破壊が起こっている様子が分かる。