クリスタル双晶

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クォーツ–日本双子
曹長石の双晶の図基底面(P)に平行な、より完全な劈開には、2番目の劈開(M)に平行な微細な縞模様のシステムがあります。

結晶双晶は、同じ鉱物の2つ以上の隣接する結晶が、対称的に同じ結晶格子点のいくつかを共有するように配向されている場合に発生します。その結果、互いにしっかりと結合した2つの別々の結晶が相互に成長します。双晶で格子点が共有される面は、合成面または双晶面と呼ばれます。

結晶学者は、双晶をいくつかの双晶の法則で分類します。これらの双子の法則は、結晶構造に固有のものです。双晶のタイプは、鉱物の識別における診断ツールになり得ます。

せん断応力に応答して結晶内で双晶が発生する変形双晶は、結晶の永久的な形状変化の重要なメカニズムです。[1]

定義

ツインラティス(2D)。長い水平の赤い線は、2つの結晶セグメントが結合する合成平面です。上部の結晶格子は下部の結晶格子の反射です。赤い点は共有結晶格子点です。

双晶は、同じ鉱物の2つ以上の隣接する結晶間の対称的な連晶の一形態です。2つの結晶セグメントの相対的な向きが鉱物構造の特徴である固定された関係を示すため、これは鉱物堆積物における鉱物粒子の通常のランダムな連晶とは異なります。この関係は、双子操作と呼ばれる対称操作によって定義されます。[2] [3]

双晶操作は、双晶でない結晶構造の通常の対称操作の1つではありません。たとえば、双晶演算は、単結晶の対称面ではない面を横切る反射である可能性があります。[2] [3]

微視的レベルでは、双晶境界は、2つの配向間で共有される結晶格子内の一連の原子位置によって特徴付けられます。[2] [3]これらの共有格子点は、結晶セグメント間の接合部にランダムに配向した粒子間の接合部よりもはるかに強い強度を与えるため、双晶結晶は容易に分解しません。[4]

双子の法則

双晶法則は、双晶セグメント間の配向を定義する対称操作です。これらは、その結晶面の角度と同じくらい鉱物の特徴です。たとえば、十字石の結晶はほぼ正確に90度または30度の角度で双晶を示します。[4]双子の法則は、ベーシスポイントの完全なセットの対称操作ではありません。[3]

双子の法則には、反射操作、回転操作、および反転操作が含まれます。反射双晶は双晶平面のミラー指数(つまり{hkl})で表され、回転双晶は双晶軸の方向(つまり<hkl>)で表されます。反転双晶は、通常、反射または回転対称と同等です。[2]

回転双子の法則は、ほとんどの場合2倍回転ですが、他の許可された回転対称性(3倍、4倍、または6倍)も可能です。双子軸は格子面に垂直になります。[5]双法則が2回回転で、対称操作が3回回転である場合、回転双子法則は個々の結晶の回転対称性と同じ軸を共有することができます。これは、 <111>でのスピネルの法則の双晶の場合です。スピネル構造は<111>で3回回転対称であり、スピネルは通常<111>で2回回転して双晶になります。[2]

結晶セグメント間の境界は、合成面と呼ばれます。平面の場合は、合成面呼ばれます。合成平面は、常にではありませんが、反射法則の双子法則平面に平行であることがよくあります。この場合、双晶面は常に可能な結晶面に平行です。[3]

一般的な双子の法則

スピネル法接触双晶。左に単結晶が示され、組成面は赤で示されています。右側では、結晶が合成面で効果的に切断され、前半分が180°回転してコンタクトツインが生成されています。これにより、コンポジションプレーンの左上と左下にリエントリーが作成されます。[4]
十字石の30°ツイン
十字石の90°双晶
パイライト鉄十字ツイン

等尺性システムでは、双子の最も一般的なタイプは、双子の軸が八面体の面に垂直であるスピネルの法則(双子の平面、八面体に平行)<111>と、鉄の十字<001>です。十二面体のサブタイプである2つの黄鉄鉱の相互貫入[6]

六角形のシステムでは、方解石は接触双晶の法則{0001}と{0112}を示します。クォーツは、ブラジルの法{1120}、変容によって引き起こされる浸透双子であるドーフィネ法<0001>、および成長中の事故によって引き起こされることが多い日本法{1122}を示しています。[6]

正方晶系では、周期的接触双晶は、ルチル型二酸化チタンや錫酸化スズなどで最も一般的に観察されるタイプの双晶です。[6]

斜方晶系では、結晶は通常、プリズム面に平行な平面上で双晶になります。最も一般的なのは{110}双晶で、アラゴナイトクリソベリル白鉛鉱などの周期的な双晶を生成します。[6]

単斜晶系では、双晶はマネバッハ法{001}、カールスバッド法[001]、正長石のブラベノ法{021} 、およびスワローテール双子(マネバッハ法)によって平面{100}と{001}で最も頻繁に発生します。石膏の{001} [6]

三斜晶系では、最も一般的な双晶は長石鉱物の斜長石微斜長石です。これらの鉱物は、曹長石とペリクラインの法則を示しています。[5] [6]

結晶系による最も一般的なツイン操作を以下に示します。このリストは、特に三斜晶系などの対称性が最も低い結晶系の場合、網羅的ではありません。[7] [2] [6]

システム 手術
三斜晶 曹長石法
ペリクライン法
カールスバッド法
バヴェーノ法
マネバッハ法
{010}
<010>
<001>
{021}
{001}
斜長石
単斜晶 カールスバッド法
バヴェーノ法
マネバッハ法
<001>
{021}
{001}
{100}
<031>
<231>


長石石膏

十字石
斜方晶 {110}
{101}
{011}
アラゴナイト、白鉛鉱; 多くの場合周期的
正方晶 {110}
{101}
{011}
錫石、ルチル
六角


ブラジル法
ドフィネ法
日本法
{01 1 2}
{0001}
{10 1 1}
{11 2 0}
<0001>
{11 2 2}
方解石


クォーツ
等尺性 スピネル法


鉄十字法
<111>
{111}
{001}
<001>
スピネル


パイライト

双晶の種類

周期的な双晶を示すクリソベリル

単純な双晶は、接触双晶または浸透双晶の場合があります。接触双子は単一の合成面で出会い、境界を越えて鏡像として現れることがよくあります。斜長石石英石膏スピネルはしばしば接触双晶を示します。[4] メロヘドラル双晶は、接触双晶の格子が3次元で重なる場合に発生します。たとえば、一方の双晶がもう一方の双晶から相対回転する場合などです。[8]例はmetazeuneriteです。[9]接触双晶は、結晶セグメントの面が接触面上で180°を超える角度で交わるリエントラント面を特徴的に作成します。[4]

貫通双晶では、個々の結晶は対称的に互いに通過しているように見えます。[4] 長石、十字石、黄鉄鉱蛍石はしばしば浸透双晶を示します。貫通双晶の組成面は通常不規則で、結晶の中心まで伸びています。[3]

接触双晶は反射または回転のいずれかから発生する可能性がありますが、浸透双晶は通常回転によって生成されます。[3]

複数の双晶部分が同じ双晶法則によって整列している場合、それらは複数または繰り返し双晶と呼ばれます。これらの複数の双子が平行に並んでいる場合、それらは抱合双子と呼ばれます。複数の双子が平行でない場合、それらは周期的な双子です。曹長石、方解石黄鉄鉱はしばしば多合成双晶を示します。間隔の狭い多合成双晶は、結晶面に縞模様または細い平行線として観察されることがよくあります。ルチルアラゴナイト白鉛鉱クリソベリル多くの場合、通常は放射パターンで周期的な双晶を示します。[4] [3]

回転双子の場合、双子軸と双子平面の関係は次の3つのタイプのいずれかに分類されます。[10]

  1. 平行双子、双子軸と構成平面が互いに平行にあるとき、
  2. 通常の双子、双子平面と合成平面が正常にある場合、および
  3. 複雑な双晶、1つの組成面での平行双晶と通常の双晶の組み合わせ。

形成モード

緑鉛鉱の平行成長

双晶の形成には3つのモードがあります。成長双晶は、より大きな置換イオンからの変形の可能性による、形成または成長中の格子の中断または変化の結果です。アニーリングまたは変態双晶は、ある形態が不安定になり、結晶構造が再編成または別のより安定した形態に変形しなければならないため、冷却中の結晶系の変化の結果です。変形または滑走双晶は、結晶が形成された後の結晶への応力の結果です。成長双晶は結晶の初期成長中に形成されるため、それらは一次として記述されます、一方、変形または変形の双晶は既存の結晶で形成され、二次として記述されます。[11]

平行成長は、整列した結晶のクラスターの外観を生成する結晶成長の形態を表します。よく調べてみると、クラスターは実際には単結晶であることがわかります。結晶格子はクラスター全体で連続しているため、これは双晶ではありません。システムのエネルギーが削減されるため、並行して成長する可能性があります。[12]

成長の双子

接触面は通常結晶の中心を通過するため、成長双晶は結晶成長の初期に始まる可能性があります。原子は理想的とは言えない位置で結晶面に結合し、双子の成長の種を形成します。その後、元の結晶とその双子は一緒に成長し、互いに非常に似ています。これは、特定の鉱物に十分な特徴があり、急速な成長の条件下で熱力学的にまたは速度論的に有利であることを示唆しています。[4] [2]

トランスフォーメーションツイン

2次元での変換双晶の図。左の斜方晶は右の単斜晶に変化し、2つの平行な双晶面があります(多合成双晶)

変態双晶は、冷却結晶が変位多形転移を経験するときに起こります。たとえば、白榴石は約665°C(1,229°F)を超えると等尺性の結晶構造を持ちますが、この温度を下回ると正方晶になります。この相変化が起こると、結晶の元の3つの軸のいずれかが長軸になる可能性があります。双晶は、結晶のさまざまな部分がさまざまな軸の選択に沿って等角対称性を破ったときに発生します。これは通常、多合成双晶であり、各方向の変位を平均化することにより、結晶が等角形状を維持できるようにします。これにより仮像が生成されます等尺性の対称性を持っているように見える結晶。カリウム長石は、ゆっくりと冷却すると、単斜晶系構造(正長石)から三斜晶系構造(斜長石)に変化するときに、同様に多合成双晶を経験します。[2]

変形双晶

結晶の変形双晶のアニメーション

変形双晶は、せん断応力への応答です。結晶構造は、結晶の連続する平面に沿って変位します。これは、グライドとも呼ばれるプロセスです。双晶は常に反射双晶であり、グライドプレーンはミラープレーンでもあります。方解石へき開片の端の近くでナイフの刃で穏やかな圧力を加えることにより、変形の双晶が観察されます。この特定のグライド双晶{102}は、方解石を含む変形した岩盤にほぼ普遍的に見られます。[2]

双晶とスリップは、結晶変形の競合メカニズムです。各メカニズムは、特定の結晶系および特定の条件下で支配的です。[13] fcc金属では、必要な応力が双晶応力よりはるかに小さいため、ほとんどの場合、スリップが支配的です。[14]

双晶は、双晶境界の面に沿った原子の協調変位によって発生する可能性があります。大量の原子のこの変位は、同時に実行するためにかなりのエネルギーを必要とします。したがって、双子を形成するために必要な理論的応力は非常に高くなります。双晶は、結晶内のいくつかの場所での独立した滑走によって引き起こされるスリップとは対照的に、調整されたスケールでの転位運動に関連していると考えられています。

スリップと比較して、双晶は本質的により不均一な変形パターンを生成します。この変形により、材料全体および双晶と粒界の交差点付近に局所的な勾配が生じます。変形勾配は、特に低温でのbcc遷移金属において、境界に沿った破壊につながる可能性があります。

ナノ粒子の5重双晶(電子顕微鏡写真)。

3つの一般的な結晶構造bccfcc、およびhcpのうち、hcp構造は、任意の形状変化に十分な数のすべり系をほとんど持たないため、歪んだときに変形双晶を形成する可能性が最も高くなり ます。高いひずみ速度、低い積層欠陥エネルギー、および低温は、変形双晶を促進します。[1]

Al、Cu、Ag、Auなどの面心立方(fcc)構造の金属に応力がかかると、双晶が発生します。双晶境界の形成と移動は、fcc金属の延性と展性に部分的に関与しています。[15]

ツインバウンダリは、衝撃硬化と、リミテッドスリップシステムまたは非常に低い温度での金属の冷間加工で発生する多くの変化の原因の一部です。それらはマルテンサイト変態によっても発生します。双晶境界の動きはニチノールの擬弾性および形状記憶挙動の原因であり、それらの存在は鋼の焼入れによる硬度の一部の原因です特定の種類の高張力鋼では、非常に微細な変形の双晶が転位運動に対する主要な障害物として機能します。これらの鋼は「TWIP」鋼と呼ばれ、TWIPは双晶誘起塑性を表します。[16]

も参照してください

参考文献

  1. ^ a b Courtney、Thomas H.(2000)材料の機械的挙動、第2版。マグロウヒル。 ISBN  1-57766-425-6
  2. ^ a b c d e f g h i Nesse、William D.(2000)。鉱物学入門ニューヨーク:オックスフォード大学出版局。pp。87–91。ISBN 9780195106916
  3. ^ a b c d e f g h Klein、Cornelis; Hurlbut、Cornelius S.、Jr。(1993)。鉱物学のマニュアル:(ジェームズD.ダナの後)(第21版)。ニューヨーク:ワイリー。pp。102–106。ISBN 047157452X
  4. ^ a b c d e f g h シンカンカス、ジョン(1964)。アマチュアのための鉱物学プリンストン、NJ:ヴァンノストランド。pp。96–105。ISBN 0442276249
  5. ^ a b ネルソン、スティーブンA.(2013)。「双晶、ポリモーフィズム、ポリモーフィズム、疑似モーフィズム」チューレーン大学2022年2月19日取得
  6. ^ a b c d e f g Klein&Hurlbut 1993、pp。104–106。
  7. ^ Nesse 2000、pp。89、214–216。
  8. ^ Yeates、Todd O.(1997)。「[22]結晶双晶の検出と克服」。酵素学の方法276:344–358。土井10.1016 / S0076-6879(97)76068-3
  9. ^ Locock、AJ; バーンズ、PC(2003年4月1日)。「AUTUNITEおよびMETA-AUTUNITEグループの銅優勢メンバーの結晶構造と合成:リン銅ウラン石、ゼウネライト、メタテルベルナイトおよびメタゼウネライト」。カナダの鉱物学者41(2):489–502。土井10.2113 /gscanmin.41.2.489
  10. ^ Tobi、Alexander C.(1961)。「組成面に垂直なセクションでの斜長石双子の認識」アメリカの鉱物学者46(11–12):1470–1488 2022年2月19日取得
  11. ^ Klein&Hurlbut 1993、p。167。
  12. ^ Klein&Hurlbut 1993、p。101。
  13. ^ Mahajan、S。; ウィリアムズ、DF(1973年6月)。「金属および合金の変形双晶」。国際冶金レビュー18(2):43–61。土井10.1179 /imtlr.1973.18.2.43
  14. ^ Beyerlein、Irene J。; マラ、ネイサンA。; Bhattacharyya、Dhriti; アレクサンダー、デビッドJ。; ネッカー、カールT.(2011年1月)。「圧延銀-銅鋳造共晶ナノコンポジットにおけるスリップと変形の双晶の組み合わせによるテクスチャの進化」。可塑性の国際ジャーナル27(1):121–146。土井10.1016 /j.ijplas.2010.05.007
  15. ^ ヌルル・アクマル・チェ、ラー; トリゲロス、ソニア(2019)。「Ag、Au、Cuナノワイヤの機械的特性の合成とモデリング」科学 技術。Adv。Mater20(1):225–261。Bibcode2019STAdM..20..225L土井10.1080 /14686996.2019.1585145PMC6442207_ PMID30956731_  
  16. ^ Steinmetz、DR; Jäpel、T。; Wietbrock、B。; Eisenlohr、P。; Gutierrez-Urrutia、I。; Saeed(2013)、「双晶誘起塑性鋼のひずみ硬化挙動の解明:理論、シミュレーション、実験」、Acta Materialia61(2):494、Bibcode2013AcMat..61..494Sdoi10.1016 / j.actamat.2012.09.064

外部リンク