ひび割れても治り、ふたたび光を閉じ込める微結晶

フォトニックデバイスは小型化が進んでいる。光を運ぶ導波路、光を閉じ込める共振器、そしてレーザー。その大きさになると、顕微鏡でしか見えないひび1本で、デバイスは台なしになってしまう。有機光学結晶でひびがどのようにでき、どのように治るのかは、著者らによれば「ほとんど未解明」だ。

自分のひびを修復する結晶は、彼らの言葉を借りれば「まれで注目すべき現象」である。論文が挙げる先行例には、岩塩、塩化カリウム、アルミナ、そしていくつかの分子結晶がある。しかしその多くは長さ数ミリメートルから数センチメートルで、ピンセットや針で扱われていた。ゆっくり治るものもあった。長さ約3ミリメートルの結晶は、24時間押しつけられたあとでも6.7%しか回復しなかった。一方、針状の結晶には、数ミリ秒でつながり直すものもあった。

ハンマーとしての顕微鏡の探針

インドのハイデラバード大学とカルナータカ中央大学（Central University of Karnataka）のMelchi Chosenyah、Rajadurai Chandrasekarらは、結晶が光学部品として働くスケールにまで降りていった。彼らが使ったのはHDMACという有機化合物で、紫外線の下でオレンジがかった赤色に光り、その発光は660ナノメートルを中心とする。溶液としてスライドガラスに滴下すると、差し渡し数十マイクロメートルの薄い正方形や長方形の結晶ができる。

道具は原子間力顕微鏡のカンチレバーの探針で、結晶を制御されたやり方で割ることにも、破片を押し戻して合わせることにも使われた。著者らは骨折の用語を借りた。横（transverse）のひびは結晶を横切り、縦（longitudinal）のひびは結晶に沿って、斜め（oblique）のひびは対角線方向に走る。裂離（avulsion）では小さな破片がもぎ取られる。

融合する破片

約13.7×12.5マイクロメートルの結晶では、側面を内側へ押すと、対角線方向のひびが消えた。電子顕微鏡で見ると、修復はほぼ継ぎ目のないもので、高倍率でかすかな線が見える程度だった。破片がもぎ取られた箇所だけが、治らずに残った。
長さ約20マイクロメートルの結晶を、2つの別々の破片に割った。位置を合わせて押しつけると、破片はすぐに修復した。そのあと探針で押すと、結晶は1つのかたまりとして動いた。
2つの異なる結晶面に沿ったひびは、どちらも修復した。割れた面がきれいなままなら、ほぼすべての微結晶が治った。割れ目に小さな破片が散らばっていると、修復が妨げられた。
分子の詰まり方は同じでも、薄片状の大きな結晶は、きれいに割れずに粉々に砕け、治らなかった。

どれだけの光が戻るか

長い結晶は導波路として働く。一方の端で発せられた光が、もう一方の端まで伝わるのだ。長さ271マイクロメートルの結晶で、チームは割る前と修復後に、一方の端に405ナノメートルのレーザーを当て、もう一方の端で導かれてきた光を集めた。2つを比べると、「修復効率」は約**80%だった。同様の6つの結晶では、それは32%から99%**にわたった。損失は、修復されたひびで散乱した光によるもので、とくに破片が欠けた箇所で大きかった。

よみがえった共振器

薄い結晶は共振器としても働く。上面と下面が鏡の役割を果たすため、その間では特定の色の光だけが強め合う。結晶が薄いほど、これらの共鳴の間隔は広くなる。31×28マイクロメートル、厚さ1.8マイクロメートルの結晶では、共鳴が17.8ナノメートル間隔で現れた。

チームはこの結晶を、2つに分断しないようにして、中央で縦方向に割った。ひびのところでは、共鳴が強く抑えられた。修復後、共鳴は戻り、そのスペクトルは無傷の結晶のものと一致した。257ナノメートルごとに層を追って撮影した蛍光画像では、ひびのかすかな跡が見えたのは上層だけだった。約770ナノメートルより下では、内部は治っているように見えた。

継ぎ目はやわらかい

ダイヤモンドの探針を同じ力で結晶に押し込むと、無傷の領域では95ナノメートル、修復された領域では115ナノメートル沈み込んだ。修復部の剛性、つまりヤング率は2.15ギガパスカルから1.49ギガパスカルに下がって元の約3分の2になり、硬さはおよそ半分になった。それでも荷重を取り除くと、ある程度は元に戻った。

何が破片をつなぎとめているのか。分子間の力の計算からは、2つの修復面に沿って連続した引力の鎖が浮かび上がる。分子どうしの水素結合と、隣り合う層の間の双極子による引力だ。著者らはこれを、修復を駆動する力の1つとみなしている。

著者らは、修復効率をひとつの数字で表すことはできないと強調する。結晶の大きさ、ひびの種類、破片の位置合わせの精度のすべてが、結果を変えるからだ。彼らが目指すのは、損傷を受けても生き延びる光学部品、つまり、割れてもふたたび働かせることのできる光る結晶である。