大型放射光施設 SPring-8

公開日

2017年06月13日

2017年6月13日
大阪大学
理化学研究所
高輝度光科学研究センター

本研究成果のポイント
•　パワーレーザーショック超高圧法^※1とＸ線自由電子レーザー（XFEL）施設SACLA^※2によるX線回折イメージング^※3により、材料の超高速破壊現象のフェムト秒（10^-15秒）露光原子レベル観察に世界で初めて成功
•　独自のパワーレーザーシステムで秒速5 kmもの超高速衝突時に相当する材料の破壊を再現
•　宇宙構造物や航空機など、極限環境・極端条件下での構造物設計や新高耐力材料開発の進展に期待

研究の背景
　材料に衝撃的な力を加えると、スポール破壊^※6に代表される破断・破砕的な破壊が生じます（図２）。このとき衝撃が与えられた場所とは異なる場所でしばしば深刻な破壊が生じ、例えば構造物の内部にはより甚大な被害が生じることが知られています。このような超高速の破壊現象はその超高速性ゆえにミクロな知見を直接得ることは困難でした。従来は、実験後の試料の断面の破壊損傷痕を観察することで、破壊の開始や進展のメカニズムを推量する研究が行われてきました。しかし、動的な応力下における破断強度は構造体に用いられる材料の重要な特性のひとつにもかかわらず、超高速域の定量的なデータはほとんど得られていませんでした。

本研究成果が社会に与える影響
　本研究成果は、超高速衝突時の動的な破壊の開始や進展をミクロな視点で観察できることを実証したもので、宇宙ステーションや航空機などの安全性向上や新高耐力材料の開発促進につながるなど、人と社会の安心と安全に資する重大な研究成果と言えます。

特記事項
　本研究の成果は、平成29年6月2日(金)午後2時（米国東部標準時間）（日本時間6月3日(土)午前3時）に米国科学振興協会AAAS刊行のオンラインジャーナル Science Advances に掲載されました。

　本研究成果は、日本学術振興会の研究拠点形成事業（A.先端拠点形成型）「X線自由電子レーザーとパワーレーザーによる極限物質科学国際アライアンス」、文部科学省委託事業のX線自由電子レーザー重点戦略研究課題「XFELとパワーレーザーによる新極限物質材料の探索」、および大阪大学国際共同研究促進プログラム 日仏連携「光・量子ビーム技術による高エネルギー密度物質探査に関する日仏連携研究」に基づくものです。
　また本研究成果は、仏エコールポリテクニークからもプレス発表されます。

用語解説
＊１ パワーレーザーショック超高圧法
　パワーレーザーを集光照射すると、物質の表面が瞬時に蒸発し爆発的に膨張します。この膨張の反作用として、物質そのものがロケットのように推進力を得ます。この推進力で加速される物質の速度が音速の領域を超えると、物質内部に衝撃波（ショック）が駆動され超高圧が生成されます。

＊２ Ｘ線自由電子レーザー（XFEL）施設SACLA
　世界に２つしかないX線自由電子レーザー（XFEL：X-ray Free-Electron Laser）施設のひとつで、理化学研究所と高輝度光科学研究センター（JASRI）が共同で建設しました。加速器の中で電子の固まりを正確な制御の下で一斉に振動させ、その電子の固まりからX線レーザーを発生させるX線発生装置。SPring-8 Angstrom Compact free-electron LAserの頭文字を取ってSACLAと命名されました。

＊３ Ｘ線回折イメージング
　原子が周期的に並んでいる物質にX線を入射させると、X線の波長と入射角に依存した位置に強いＸ線の散乱が観測されます。この現象をＸ線回折といい、このX線の回折パターンを記録（イメージング）することで物質内部の原子の並び方を調べることができます。

＊４ フェムト秒の時間分解能
　フェムト秒は10^-15秒のことです。この極めて短い時間にしか光らないＸ線レーザーをフラッシュ光源として用いると、高速で動く原子を止まったように撮像できます。

＊５ 破壊応力
　材料が破壊するときに必要な単位面積当たりの力（応力）。単位は圧力と同じです。

＊６ スポール破壊
　圧縮波である衝撃波が材料の自由面で反射すると、圧縮とは反対の引張波が生成します。この引張波と衝撃波の終端が相互作用して引張応力が最大となり、材料の破壊応力を超えると破断的破壊が生じます。これにより、しばしば材料裏面で深刻な破壊が生じ、超高速の破片が飛び散るなどの特徴的な現象が起きます。このような破壊現象を総称してスポール破壊と呼びます。