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粘土鉱物の摩擦の起源を原子スケールから解明 ~原子間の静電的な力が支配 断層運動の仕組み解明にむけた指針として期待~

 国立研究開発法人物質・材料研究機構(NIMS),東京大学,および広島大学は2018年12月22日,NIMS機能性材料研究拠点の佐久間浩主任研究員,国際ナノアーキテクト研究拠点(WPI-MANA)の末原茂主幹研究員,東京大学大学院理学系研究科の河合研志准教授,広島大学大学院理学研究科の片山郁夫教授の研究グループが,粘度鉱物の摩擦の起源が接触面の原子間に働く静電的なものであることを,実験と理論から初めて明らかにした,と発表した.本研究は,文部科学省科学研究費補助金新学術領域研究「地殻ダイナミクス~東北沖地震後の内陸変動の統一的理解~」などの助成を受けて行われ,研究成果はScience Advances誌に掲載された(注).

 粘土鉱物のように層状の結晶構造を含む摩擦力の低い結晶は,地滑りや断層活動との関連が考えられる一方,固体潤滑剤としての利用も検討されている.一般に摩擦力は表面同士の接着が原因とされるが,本研究グループが,粘土鉱物の接着エネルギーを精密に導出すると摩擦とは相関が無かった.粘土鉱物の0.7~1nmの積層層間に作用する力には,静電力,分子間力の他,接触面同士の結晶方向の違い,表面粗さ,不純物の存在など多くの要因が関与するため,これまで,粘土鉱物の摩擦力発生のメカニズムの詳しいことは明らかにされていなかった.

 本研究では,白雲母を対象として真実接触点での摩擦力が理論と実験から求められた.如何に平坦な摩擦面であっても,摩擦面同士が全面にわたって接触しているのではなく,必ず存在する凹凸により一部が接触しているに過ぎず,これが真実接触点である.完全に平坦な面の真実接触点は,接触している結晶面同士の原子間に作用するポテンシャルエネルギー面の凹凸に相当する.この原子レベルの凹凸を乗り越えるための力を量子力学的計算により求めると,白雲母の真実接触点の面積は見掛けの接触面の1~0.01%以下で,摩擦力は結晶面同士の剪断方向を変えると30°ごとに増減することがわかった.この理論計算に対応する実験として,結晶面<010>方向の摩擦力を測定し,荷重(法線応力)5~60MPaと摩擦力(剪断応力)との関係を調べたが,観測された摩擦力は計算値より高い値であった.研究グループはその原因を追究して接触面間にサブミリメートルサイズの摩耗粒子を発見し,この存在が摩擦の方向をランダマイズしていると推測した.これは摩擦力の結晶方位依存性を平均化するものであり,理論摩擦力として計算値の結晶方位における平均値をとると実験値と一致した.この結果は,白雲母の摩擦力は接着力ではなく,原子レベルのポテンシャルエネルギー(静電エネルギー)面の凹凸に起因していることを示しており,本研究は,原子レベルからセンチメートルレベルのマクロな摩擦を解明した初めての例という.

 本研究で得られた成果は広く層状結晶に適用できる可能性があり,粘土鉱物の関与する断層運動の定量的な解釈や,さらには固体潤滑剤の材料設計の指針となることが期待される.

(注)Hiroshi Sakuma, Kenji Kawai, Ikuo Katayama, and Shigeru Suehara, "What is the origin of macroscopic friction?", Science Advances, 21 Dec 2018, Vol. 4, no. 12, eaav2268, DOI: 10.1126/sciadv.aav2268