英語版クイズをもとにAIで日本語で作成しました。出典は日本語版ウィキペディアにリンクしています。
結晶とは、原子や分子、イオンが規則正しく並んだ固体のこと。食塩や金属、宝石から半導体まで、身の回りの多くの物質が結晶としての顔を持っています。 このクイズでは、結晶の定義や分類、格子欠陥と準結晶、液晶やアモルファスとの違いを取り上げます。さらに、回折したX線から原子の配列を読み解くX線結晶構造解析の手法や装置についても出題します。 理科の復習から専門的な知識まで、難易度はさまざま。全問正解を目指して挑戦してみてください。
全30問の答えと解説。クイズで遊ぶ
Q 01原子・分子・イオンが規則正しく配列した固体を何と呼ぶ？
結晶
結晶の対義語は、規則正しい構造をもたない非晶質の物質です。同じ成分でも、並び方の違いで性質は大きく変わります。
Q 02規則正しい構造をもたない物質を指す、結晶の対義語は？
アモルファス
日本語では非晶質とも呼ばれます。ガラスのように原子の並びに長距離の秩序がない固体がその代表例です。
Q 03X線結晶構造解析が構造と機能を明らかにした生体分子として、DNAが属するのは？
核酸
ビタミンや薬品、タンパク質の立体構造もこの手法で解明され、生命科学や創薬の進歩を大きく後押ししました。
Q 04X線結晶構造解析が病気に対して基礎を提案できるとされる応用は？
医薬品の設計
材料の特異な電子的・弾性的特性の説明や、化学反応における相互作用の解明にもこの手法は役立っています。
Q 05モデルとは異なり、現実の結晶が完全には備えていないものは？
規則性
現実の結晶には格子欠陥と呼ばれる原子配列の乱れがあり、理想的なモデルとは振る舞いが異なる場面が生じます。
Q 06X線結晶構造解析が現在も主要な方法とされている用途は？
新材料の原子構造の特定
他の実験では区別がつかないほど似て見える材料同士を識別する場面でも、この手法は今なお第一線で使われています。
Q 07単結晶X線回折で、試料を取り付ける装置が精確に操作するのは結晶の何？
角度
結晶の向きを少しずつ変えて多くの方向から回折パターンを集めることで、3次元の構造を再構成するための情報が揃います。
Q 083次元のうち一つ以上の方向について対称性が失われた状態を何と呼ぶ？
液晶
結晶と液体の中間的な性質を示すこの状態は、ディスプレイなどの身近な技術にも広く応用されています。
Q 09結晶が小さすぎると、X線結晶構造解析では何が十分に得られなくなる？
解像度
結晶の内部構成が十分に均一でない場合も同じ問題が起こり、時には不正確な結果を導いてしまう可能性があります。
Q 10X線回折法で散乱されたX線は、入射X線と何が同じ？
波長
こうした散乱は弾性的と呼ばれ、エネルギーのやり取りを伴う非弾性散乱とは区別されます。
Q 11結晶中の原子配列は、X線に対して何として働く？
回折格子
X線や電子線は可視光線より波長が短いため、原子の並びそのものが格子として機能し、X線回折や電子線回折という現象を引き起こします。
Q 12十分なサイズの単結晶がなく他のX線解析手法を使うと、何がX線結晶構造解析に及ばない？
情報の詳細さ
大きくて質の良い単結晶を育てることは、精密な構造決定に向けた最初の、そしてしばしば最も難しい関門です。
Q 13格子欠陥がある結晶に起こりうるとされることは？
予想と異なる性質を示す
理想的な結晶構造から予測される振る舞いと現実のずれは、欠陥の存在で説明される場合が多く、材料の強度や導電性にも影響します。
Q 14X線結晶構造解析の英語名「X-ray crystallography」の略称は？
Q 21「SAXS」と略される、結晶化していない試料にも使えるX線解析手法は？
小角散乱
単結晶が得られないときの代替手法には、ほかに繊維回折や粉体回折があり、試料の形態に応じて使い分けられます。
Q 222001年に39Kの超伝導を示して有名になった化合物は？
二ホウ化マグネシウム
この物質は金属間化合物でありながら、原子間の結合に共有結合的な部分とイオン結合的な部分が共存する珍しい例として知られています。
Q 23結晶にX線ビームを当てて生じる、規則的な間隔のまだらな回折パターンの呼び名は？
反射
照射するのは細く集束された単一の波長のX線ビームで、まだら模様の一つ一つが結晶内部の原子配列の情報を運んでいます。
Q 24国際結晶学連合が結晶を「本質的に離散的な回折を与える固体」と定義し直したのは？
XRC
ドイツ語ではKristallstrukturanalyseと呼ばれ、日本語ではX線結晶学という名称も使われます。
Q 15結晶学者が電子密度の3次元画像を作るために測定する、回折X線の2つの量は？
角度と強度
得られた電子密度の分布からは、結晶内の原子の平均位置や化学結合など、さまざまな情報を読み取ることができます。
Q 162次元の回折パターンを3次元モデルに変換する際に用いる数学的処理は？
フーリエ変換
変換の際には試料について既知の化学データも組み合わせ、さまざまな方向から取得したパターンを電子密度の立体モデルへとまとめ上げます。
Q 17一般的な金属が比較的小さな力で塑性変形する理由として挙げられるのは？
結晶欠陥の存在
欠陥のない理想的な結晶を変形させるには、はるかに大きな力が必要になると予想されます。身近な金属の加工しやすさは、完全ではない構造のおかげです。
Q 18単結晶X線回折の測定で、単一の結晶を取り付ける装置は？
ゴニオメーター
名称はギリシャ語で角を意味する語に由来し、結晶の向きを細かく変えながらさまざまな方向からの回折を記録するのに欠かせません。
Q 19材料がナノ結晶粉末の形でしか入手できない場合に用いられる顕微鏡は？
透過型電子顕微鏡
結晶化度が低い試料でも、電子回折や電子線結晶構造解析を組み合わせれば原子構造を決定することができます。
Q 20X線と同様の回折パターンを生成できる、結晶で散乱させる粒子は？
電子または中性子
これらの粒子で得た回折パターンも、X線の場合と同様の数学的な解釈によって結晶構造の情報へと変換できます。
1992年
同時に、三次元の格子の周期性を持たない非周期的結晶という概念も定められ、準結晶なども正式に結晶の仲間に含まれるようになりました。
Q 25非弾性X線散乱を用いる解析手法が研究に役立つ、プラズモンやフォノンなどの現象は？
励起
この手法では原子の分布そのものではなく、結晶場や軌道、マグノンといった試料内部のエネルギー状態の変化を調べます。
Q 26MgB2のB層にあるB原子間の結合は、主に何による？
共有結合
一方、Mg層とB層の間は主にイオン結合的な性格を持ちます。電子状態が金属であるため、金属結合的な部分も合わせ持っています。
Q 27無機材料データベース「Atomwork」を公開している国立研究開発法人は？
物質・材料研究機構
結晶構造などの材料データを集めたこの種のデータベースは、新しい材料の探索や計算科学の基盤として研究者に広く利用されています。
Q 28準結晶は数学的に、何の空間への射影として記述される？
高次元結晶
周期性のない構造でも、より高い次元で周期的に並んだ格子を低い次元へ投影したものと考えると、その規則性を整然と説明できます。
Q 29材料データベース「AFlow」を運営しているノースカロライナ州の大学は？
デューク大学
日本の無機材料データベース「Atomwork」と並び、材料科学の分野で参照される海外のデータベースの一つです。
Q 30芦田玉一の論文『X線結晶構造解析の発展』が2002年に掲載された大学紀要は？
名古屋文理大学
この論文は紀要の第2巻に81ページから91ページにわたって収録され、DOIも付与されています。