東京大学大学院工学系研究科附属総合研究機構の幾原雄一東京大学特別教授（兼：東北大学材料科学高等研究所（WPI-AIMR）教授）、柴田直哉教授、石川亮特任准教授、二塚俊洋特任研究員らのグループは、名古屋大学の松永克志教授、横井達矢准教授と共同で、原子分解能電子顕微鏡法と理論計算（シミュレーション、により、原子が結晶粒界に沿って高速拡散する機構を明らかにしました。
セラミックスの多結晶体に極微量の添加元素を導入すると、さまざまな材料物性の性能を向上させることができます。これまでに、結晶粒界が添加元素の高速拡散経路であることは知られていましたが、原子レベルでの高速拡散機構は不明でした。本研究では、ハフニウム（Hf）を添加した酸化アルミニウム（α-Al₂O₃）の結晶粒界を対象に、時間分解型の原子分解能走査透過型電子顕微鏡（STEM）を用い、個々のHf原子が結晶粒界に沿って拡散する様子を追跡することに成功しました。さらに、機械学習ポテンシャルを用いた大規模な分子動力学計算により、結晶粒界特有の格子間サイトを経由する新しい拡散機構を明らかにしました。これらの発見は、結晶粒界を介したイオン伝導など、材料特性の設計に新たな指針を与えるものです。
本研究成果は、2025年10月17日（英国夏時間）に英国科学誌「Nature Communications」のオンライン版に掲載されました。