フランク・ホーソーン

フランク・ホーソーン CCFRSC について
2007年のホーソーン
生まれる	フランク・クリストファー・ホーソーン ( 1946-01-08 )1946年1月8日（78歳） ブリストル、イギリス
母校	インペリアル・カレッジ・ロンドン マクマスター大学
受賞歴	カナダ勲章 ローブリング勲章 （2013年）
科学者としてのキャリア
フィールド	鉱物学と結晶学
機関	マニトバ大学
Webサイト	フランクホーソーン

フランク・クリストファー・ホーソーン CC FRSC（1946年1月8日生まれ）は、イギリス生まれのカナダ人鉱物学者、結晶学者、分光学者です。マニトバ大学に勤務し、現在は名誉教授です。グラフ理論、結合原子価理論^[1]、固体の電子エネルギー密度に対するモーメントアプローチ^{[2]を組み合わせることで、複合酸化物およびオキシ塩鉱物の原子配列、化学組成、共生関係を理解するための厳密なアプローチとして結合トポロジー[3] [4]}を開発しました。

フランク・C・ホーソーンは、1946年1月8日にイギリスのブリストルで、オードリー・パトリシア（旧姓マイルズ）とフランク・ホーソーンの子として生まれ、ブリストルのベグブルック小学校（現ベグブルック小学校アカデミー）とビショップロード小学校に通った。1956年にバークシャーのメイデンヘッドに移り、メイデンヘッド・カウンティ・ボーイズ・スクール（後のメイデンヘッド・グラマー・スクール、現デスバラ・カレッジ）に入学。そこで、数学、物理、地理学を専攻し、ラグビー、ホッケー、クリケット、陸上競技（陸上競技）をプレーした。彼は自然地理学に魅了され、15歳の時に地質学者になることを決意した。彼はテムズバレー（後のメイデンヘッド）ラグビークラブでラグビーを、クックハム・ディーン村でクリケットをプレーした。 1962年後半から、ロンドン郊外のパブやクラブで初期のイギリスのロックンロールに触れ、生涯にわたってこの音楽の熱狂者となった。1964年、純粋地質学を学ぶためインペリアル・カレッジ・ロンドンに入学し、ラグビー、ホッケー、クリケットを楽しみ、ときどきビールを飲むようになった。硬岩地質学に興味を持つようになり、地中海のエルバ島で3か月間学士論文を執筆したことで、これが良い職業選択であると確信した。1968年に卒業し、オンタリオ州ハミルトンのマクマスター大学に進み、結晶学者H・ダグラス・グランディの指導の下で博士号を取得した。ダグ・グランディは彼に「見る」ための角閃石を与え、この観察が、角閃石の結晶化学に関する博士論文へと発展した。マクマスター大学には材料研究所^[5]があり、地質学、化学、物理学の各学部とともにシニアサイエンスビルに位置していた。大学院生にとって科学的に酔わせる雰囲気の中で、皆が一緒にコーヒーや昼食をとり、すべての専門分野が混ざり合って毎日科学について話し合った。この研究所はホーソーンに単結晶X線回折、単結晶中性子回折、赤外分光法、メスバウアー分光法を実際に使用する機会と、著名な科学者と知り合う機会を与えた。特に、彼は物理学者のI・デイビッド・ブラウン^[6]と化学者のRDシャノン^{[7] （}デュポン社からサバティカル休暇中）と、結合原子価理論^[8]を開発していたときに出会った。この理論はホーソーンの研究で大きな役割を果たすようになり、彼はブラウンとシャノンと生涯の友人になった。

フランク・ホーソーンは1973年に博士号を取得し、カナダのウィニペグにあるマニトバ大学地質科学部のロバート・B・ファーガソン教授のもとで博士研究員として研究を続けました。これは彼の成長におけるもう一つの重要なステップでした。特にペトル・チェルニーの影響で、花崗岩ペグマタイトのさまざまな鉱物に触れる機会となり、チェルニーやファーガソンとともにさまざまなペグマタイト鉱物の研究を行い、年に数回マクマスター大学の材料研究所に戻って単結晶X線データを収集しました（無償）。博士研究員としてのフェローシップの終了時には、研究員となり、電子顕微鏡を操作したり、サバティカル休暇中の他の教員に講義をしたりしました。このかなり不安定な生活を7年間送った後、彼は1980年に大学研究フェローシップ^[9]を獲得しました。これは同プログラムの初年度でした。連邦政府は、1970年代には学術職の空きがほとんどないことを認識し、URFプログラムを導入しました。このプログラムでは、受給者は給与と適度な研究助成金を受け取り、5年間教員として活動（講義と研究）します。この期間の終わりにURFが大学に教員として雇用された場合、給与は連邦政府が次の5年間にわたって部分的に支払います。1983年、フランク・ホーソーンはカナダ自然科学・工学研究会議から単結晶回折計用の主要設備助成金を受け取り、研究室の建設と大学院生の受け入れを開始しました。この頃、ホーソーンは構造不明の鉱物の結晶源としてロイヤルオンタリオ博物館との関係を築き、スタッフ（フレッド・J・ウィックス博士^[10]とテリ・オタウェイ）^{[11]とともに}ツーソン宝石鉱物ショーに参加し、実験研究のための結晶の主な供給源となる鉱物収集家やディーラーと交流を深めた。1983年、ホーソーンはパヴィア大学での講演に招かれた。これが、ロベルタ・オベルティ博士（イタリア）^[12] 、ルチアーノ・ウンガレッティ博士^{[13] 、ジュゼッピ・ロッシ博士[14]}との両輝石の結晶化学に関する彼のキャリアにおける主要な科学的共同研究の始まりであり、彼はイタリアで約4年間、両輝石の結晶化学について彼らと、ローマではジャンカルロ・デラ・ベントゥーラ博士 [15] とは両^輝石の短距離秩序について研究した。 1985年、彼はジョセフ・V・スミスと研究するために2か月間シカゴ大学に留学した^[16]ホーソーンは、4 次元接続ネットのトポロジーについて研究しました。そこで理論化学者のジェレミー・バーデットと出会い、固体の電子エネルギー密度に対するモーメント アプローチを紹介されました。これは、化学結合のトポロジーと構成結晶のエネルギーを結び付けるものであり、ホーソーンの構造に関するアイデアにとって極めて重要なものでした。

2001年、彼はTier Iカナダ研究員に任命され、学部生の指導の一部から解放され、別の結晶学者であるエレナ・ソコロバ博士^[17]を学科に招聘することができた。ソコロバ博士は最初は研究員として、後に研究教授として学科に招聘された。ソコロバ博士は結晶構造に関する彼の考えに大きな影響を与え、またロシアの結晶学・鉱物学コミュニティに彼を紹介した。彼はカナダ連邦政府から資金援助を得て、数台のX線回折計、偏光赤外分光法、ラマン分光法、バルクおよびミリメスバウアー分光法、電子マイクロプローブ、二次イオン質量分析用のマイクロSIMSを備えた大規模な研究室を開発し、他の地元の科学者とコンソーシアムを結成して、彼自身と彼の学生が、鉱物や地球化学プロセスの特性評価に広く使用される魔法角回転核磁気共鳴法、原子間力顕微鏡法、X線光電子分光法を利用できるようにしました。

伝統的に、鉱物学は観察科学でした。鉱物学者は、新しい鉱物を説明し、既知の鉱物の安定フィールドを熱力学的変数の強さに関して測定し、結晶構造を解明して改良し、この知識を組織化する経験的スキームの開発を試み、これらのスキームを地球科学と環境科学の問題に適用します。ほとんどの鉱物は、構造的および化学的観点から複雑な（広義の）物体です。一方で、これは、物理学と化学の確立された理論的方法では、構造、化学組成、および発生を制御する要因を定量的に理論的に理解することを困難または不可能にします。一方、鉱物が複雑であればあるほど、例えばベブレナイト：KNa(H ₂ O) ₃ [(Fe ₂ +5Fe ₃ +4Mn ₂ +6Ca _□ )(OH) ₁₀ (Nb ₄ O ₄ {Si ₂ O ₇ } ₂ (Si ₈ O ₂₂ ) ₂ )O ₂ ]、^{[18]のように、その起源や特性についてより多くの情報が含まれています。ホーソーンの研究の主な目的は、}鉱物学へのより厳密なアプローチの理論的根拠を確立することです。空間における化学結合の連結パターンには、この目的に使用できる重要なエネルギー情報が含まれています。結合トポロジーは、グラフ理論、結合原子価理論^[1]、および電子エネルギー状態密度へのモーメントアプローチ^[2]の側面を組み合わせて結晶構造のトポロジカルな側面を解釈し、確立された方法では対処されていない結晶構造、鉱物の組成、鉱物の挙動に関する多くの問題を考慮することを可能にします。

グラフ理論を用いると、結合ネットワークの位相的特徴は、配位多面体とその接続性の重み付き彩色有向グラフとして表すことができる。このグラフの隣接行列の要素は、対称群SNのサブグループである順列群を形成し（ここで、Nは隣接行列の一意の非対角要素の数）、計数定理（例えば、ポリア列挙定理）を使用して、異なるすべてのエッジセット（多面体間のリンク）を列挙し、それによって配位多面体のすべての異なる局所配置を数えることができる。 ^{[19] [20]このアプローチにより、特定の配位多面体セットについて、位相的に可能なすべての局所配置を列挙することができる。}並進対称性を持つ無限配置は、ラッピングを介して有限グラフで表すことができ、この方法は結晶に拡張される。^[21] 故ジェレミー・バーデットの研究は、電子エネルギー状態密度はモーメント法を用いて導出できること、および2つの構造間のエネルギー差は、それぞれのエネルギー状態密度の最初のいくつかの異なるモーメントに主に依存することを示した^[22]このことから、以下の結論が導かれる。(1) ゼロ次モーメントは化学組成を定義する。(2) 2次モーメントは配位数を定義する。(3) 4次および6次モーメントは配位多面体の局所的接続性を定義する。(4) より高次のモーメントは中距離および長距離接続性を定義する。^[4]モーメント法を用いると、化学反応におけるアニオン配位の変化は、いくつかの単純な鉱物反応における生成物相からの反応物の生成エンタルピーの減少と定量的に相関すること^[3]および結合トポロジーの変化は、いくつかの単純な水和相における生成エンタルピーの減少と相関することが示される^[23]

モーメントアプローチ（上記参照）を用いると、鉱物における化学反応は2つのタイプに分けられる：^[4]（1）結合トポロジーが保存される連続反応、および（2）結合トポロジーが保存されない不連続反応。 （1）連続反応の場合、熱膨張と弾性圧縮は、構造の異なる成分間の整合性を維持する元素置換を伴わなければならない。したがって、原子論的観点から、温度と圧力の変化によって引き起こされる質的変化を定義することができる。広範な実験研究^[24]は、短距離秩序が角閃石に遍在し、これらの鉱物が変化する温度と圧力に反応する化学的経路を定義していることを示している。この挙動の基礎となる理論的展開は、それらが他のすべての不均衡鉱物に当てはまるはずであることを示している^[25]（2）化学反応において結合トポロジーが保存されない鉱物は、鉱物種の大部分を占めるが、量的にはそれほど豊富ではない。しかし、環境に関連する鉱物の大部分を占めている。これらの鉱物の化学組成と安定性を原子レベルで制御する基準は、原子価和則と原子価一致原理から導き出され、この複雑さの多くは定量的にかなり正確に予測できます。^[26]また、水溶液中の種も原子価和則に従い、そのルイス塩基度は、溶液中の種の最大濃度での溶液のpHに比例します。^[27]水溶液中の複雑な種は、実際には結晶化する鉱物の構成要素を形成し、そのため、その構造は結晶化した溶液のpHの記録を保持しています。

数学的階層とは、要素間の自然な階層関係を反映した順序付けられた要素の集合である。構造階層仮説は、構造はより高い結合価数の配位多面体の重合に従って階層的に順序付けられる可能性があると述べている。^[20]構造階層には2つの機能がある: (1) 鉱物(結晶構造)に関する知識を首尾一貫した方法で整理するのに役立ち、このようにしてウィリアム・ローレンス・ブラッグ^[28]とニコライ・ベロフ^[29]の元の構造分類に関連する。(2) 分類の基礎に鉱物の安定性と挙動の機構の詳細に関連する要因が含まれる場合、鉱物の物理的、化学的、および共生的特性は、その結晶構造とそれらの構造とそれが発生する環境との相互作用の自然な結果として生じるはずである。構造階層仮説は、より高い結合価数の多面体が重合して構造単位を形成するという仮想的な構造構築プロセスを考慮することによって正当化される可能性がある。この仮説的な構造形成プロセスは、水溶液からの結晶化の考え方に似ています。水溶液や熱水溶液中の錯体が凝縮して結晶構造を形成したり、^[27]マグマ中の連結した多面体の断片が凝縮して結晶を形成したりします。これらのプロセスに関する知識は、メカニズムの観点からはかなり曖昧ですが、構造仮説の基礎は、結晶化と溶解のプロセスについて考える枠組みを与えてくれます^[30]構造階層は、ホウ酸塩^[31] 、ウラニル酸化物とオキシ塩^[32] 、リン酸塩^[33] 、硫酸塩 [34]、ヒ酸塩^{[35 ]}、酸化物中心の Cu、Pb、Hg 鉱物^{[36]など、いくつかの鉱物ファミリーで開発されています。}

水素は長い間、鉱物、特に「水和水」として存在する鉱物においてあまり重要でない成分であると考えられてきました。この見解は今や変わりました。水素の極性が結晶構造における強く結合したオキシアニオンの重合の次元を制御し、^[37]クラスター、チェーン、シート、フレームワーク構造を生み出します。核、マントル、深部地殻で形成される鉱物はそれほど多くの水素を取り込まず、また高圧下ではドナーとアクセプターの結合が対称化されるため水素の極性ははるかに低く、鉱物は一般にフレームワークとして結晶化します。浅部地殻または地球の表面で形成される鉱物は、構成水素に応じてクラスター、チェーン、シート、フレームワーク構造を持ちます。

長距離秩序 (LRO) は、結晶全体で平均して、構造内の特定の場所で原子が秩序化する傾向を表します。短距離秩序 (SRO) は、原子がランダムな分布と一致しない配置で局所的にクラスター化する傾向です。結合価数理論の局所形式 (つまり、平均場アプローチではない) を使用して、SRO のパターンを予測できます^[38]基本的な OH 伸縮領域での赤外分光法 (IR) は、OH に結合した種の LRO と SRO の両方に敏感であり、リートベルト構造の改良と IR 分光法を組み合わせて SRO のパターンを導き出すことができます。^[39]したがって、H は多くの複雑な岩石形成鉱物で SRO の局所プローブとして機能することができます。^[25]

軽質親岩元素（LLE）は、LLEを含まないか、またはこれらの成分を化学量論的に一定量含むと考えられていたいくつかのグループの岩石形成鉱物において、重要な可変成分となり得る。SREF（サイト占有率の精度向上）、SIMS（二次イオン質量分析）、HLE（水素線抽出）を組み合わせてこれらのタイプの結晶化学の問題を体系的に調べたところ、そうではないことが示された。^[40]特に重要なのは、角閃石中のLi、Ti、H ^[41] 、十字石中のLiとH ^[42]、および電気石中のLi ^[43]の役割である。この研究により、これらの鉱物の結晶化学に関する理解が大幅に向上し、熱力学的処理のためのより現実的な活性モデルの可能性が生まれた。

1987年、ホーソーンはパヴィアでロベルタ・オベルティ、ルチアーノ・ウンガレッティ、ジュゼッペ・ロッシと共同研究を開始し、大規模な結晶構造の改良と電子顕微鏡分析を用いて、多くの結晶化学問題を解決しました。例えば^[44]この研究は、角閃石の構造、化学組成、産出の理解に大きな影響を与え、 ^[45]これらの鉱物のより包括的な分類と命名法をもたらしました^[46]

トルマリン鉱物は、その複雑さにおいて角閃石に匹敵し、25年前までは比較的無視されていました。^{[いつ? ]}ホーソーンと彼の学生はこれらの鉱物の結晶化学研究を開始し、トルマリン鉱物の新しいサブグループを迅速に特定し、^[47]トルマリンはこれまで考えられていたよりも複雑な陽イオン配列パターンを持つことを示し、^[48]トルマリンスーパーグループ鉱物の新しい分類体系が国際鉱物学協会によって承認されました。^[49]それ以来、^{[いつ? ]}トルマリンの研究が大幅に増加し、トルマリンは岩石生成上有用な鉱物になりました。^[要出典]

岩石鉱物の結晶化学に関する体系的な研究は、これまで認識されていなかった多くの種類の化学置換の発見につながっています。例えば^[50]希少な副鉱物に関する主な関心は、一般的な構造配置の階層的組織化との関連で新しい結晶構造を調べる機会にあります。多くの場合、偶然の一致により、この研究は非常に興味深い発見につながっています[例えば、シドピエテルサイト中のチオ硫酸塩の発見^[51]およびミケコキサイト中の[C ₄ -Hg ₂₊₄ ] ₄₊基の発見^{[52] ]}ホーソーンは180種の新しい鉱物の発見に関わっています。

• フランクホーソーナイトは彼にちなんで名付けられた^[53]
• 1978年、アメリカ鉱物学会会員に選出^[54]
• 1984年、カナダ鉱物学協会のホーリーメダル受賞^[55]
• 1985年、カナダ地質学会会員に選出^[要出典]
• 1990年、カナダ王立協会会員に選出^[56]
• 1991年、カナダ地質学会よりWWハッチソン賞を受賞^[57]
• 1991年、カナダ評議会よりキラムフェローシップを授与される^[58]
• 1993年、カナダ王立協会よりウィレット・G・ミラー賞を受賞^[59]
• 1994年、カナダ鉱物学協会のホーリーメダル受賞^[60]
• 1995年、英国および北アイルランド鉱物学会のシュルンベルジェ賞を受賞^[61]
• 1996年、カナダ地質学会の最高栄誉であるローガンメダルを受賞^[62]
• 1997年、Rh Institute Foundation 優秀研究賞^[要出典]
• 1997年、マニトバ大学の特別教授に任命される^[63]
• 1998年、カナダ鉱物学協会のホーリーメダル受賞^[64]
• 1999年、カナダ鉱物学協会のピーコックメダル受賞^[65]
• 2001年、結晶学および鉱物学におけるカナダ第一研究教授に選出される^[66]
• 2001年、サイエンスウォッチ誌により1990年から2000年にかけて最も引用された鉱物学者/結晶学者としてリストされた^[67]
• 2005年、カナダ勲章受章^[68]
• 2006年、ロシア科学アカデミーの外国人研究員に選出される^[要出典]
• 2007年、サイエンスウォッチ誌によって1996年から2007年の10年間で世界で最も引用された地球科学者としてリストされた^[69]
• 2007年、地球化学会フェローに選出^[70]
• 2007年、ヨーロッパ地球化学協会フェローに選出^[71]
• 2008年、カナダ評議会よりキラム自然科学賞を受賞^[72]
• 2009年、国際鉱物学協会のIMAメダルを受賞^[73]
• 2009年、カーネギー自然史博物館よりカーネギーメダルを受賞^[74]
• 2010年、カナダ王立協会よりバンクロフトメダル受賞^[75]
• 2012年、女王陛下ダイヤモンドジュビリー勲章を受賞^[76]
• 2013年、アメリカ鉱物学会よりローブリング賞を受賞^[77]
• 2015年、カナダ王立協会の終身会員に選出^[要出典]
• 2015年、アメリカ地質学会フェローに選出^[78]
• 2015年、ロシア鉱物学会名誉会員に選出^[要出典]
• 2016年、イタリア鉱物・石油学会の名誉フェローに選出^[79]
• 2016年、カナダ鉱物学者誌はフランク・ホーソーンの功績を讃えて特別号を出版した^[80]
• 2017年、ロシア科学アカデミーのフェルスマン鉱物学博物館よりフェルスマンメダルを受賞^[要出典]
• 2018年、マニトバ大学名誉教授に任命される^[63]
• 2018年、アメリカ結晶学会よりバーガーメダル受賞^[81]
• 2018年、カナダ勲章受勲^[68]
• 2020年、ヨーロッパアカデミー会員に選出^[82]
• 2021年、アメリカ結晶学会フェローに選出^[83]

• ホーソーン、フランク C. (1981 年 1 月)。「両輝石の結晶化学」鉱物学および地球化学レビュー9A : 1–102。S2CID 129882165  。
• ホーソーン、フランク C. (1983 年 9 月1日)。「多面体クラスターのグラフィカル列挙」。Acta Crystallographica セクション A: 結晶学の基礎。39 (5​​): 724–736。Bibcode :1983AcCrA..39..724H。doi : 10.1107 /S0108767383001452。ISSN 0108-7673  。
• ホーソーン、フランク C. (1983 年 5 月)。「両輝石の結晶化学」カナダ鉱物学者21 ( 2): 173–480。
• Burns, Peter C.; Grice, Joel D. [ドイツ語] ; Hawthorne, Frank C. (1995 年 1 月)。「ホウ酸塩鉱物。I. 多面体クラスターと基本構成要素」(PDF)。The Canadian Mineralogist。33 : 1131–1151。S2CID 132696304。2016年3 月 4 日の オリジナル(PDF)からアーカイブ。
• Burns, Peter C.; Ewing, Rodney C.; Hawthorne, Frank C. (1997). 「六価ウランの結晶化学: 多面体形状、結合原子価パラメータ、多面体の重合」(PDF)。The Canadian Mineralogist。35 : 1551–1570。S2CID 20224412。 2016年3月4日時点の オリジナル(PDF)からアーカイブ。
• Hawthorne , Frank C.; Oberti, Roberta [イタリア語] (2007 年 10 月)。「角閃石の分類」。鉱物学および地球化学のレビュー。67 ( 1): 55–88。Bibcode :2007RvMG...67...55H。doi : 10.2138/rmg.2007.67.2。S2CID 129587005  。
• ホーソーン、フランク C. (2012)。「理論鉱物学への結合トポロジカルアプローチ: 結晶構造、化学組成、化学反応」。鉱物の物理と化学。39 ( 10 ): 841–874。Bibcode : 2012PCM  .... 39..841H。doi : 10.1007/ s00269-012-0538-4。ISSN 0342-1791。S2CID 97959636  。
• ホーソーン、FC (2014)。「構造階層仮説」。鉱物雑誌。78 (  4 ): 957–1027。Bibcode : 2014MinM ...78..957H。doi : 10.1180 /minmag.2014.078.4.13。ISSN 0026-461X。S2CID 101776945  。
• ホーソーン、FC（2015年4月1日）。「理論鉱物学に向けて：結合位相的アプローチ」。アメリカ鉱物学者。100 （4）：696–713。Bibcode ：2015AmMin.100..696H。doi ： 10.2138/am-2015-5114。ISSN 0003-004X。S2CID  98836563  。
• Day, Maxwell Christopher; Hawthorne, Frank Christopher (2022年5月1日). 「鎖状、リボン状、チューブ状のケイ酸塩の結合トポロジー。パートI。(TO 4) n − 四面体の無限一次元配置のグラフ理論生成」。Acta Crystallographicaセクション A ：基礎と進歩。78 （3）：212–233。doi ： 10.1107  / S2053273322001747。ISSN 2053-2733。PMC 9062827。PMID 35502713。 

• Frank C. Hawthorne、Roberta Oberti [イタリア語] 、 Giancarlo Della Ventura、Annibale Mottana 編 (2007)。『角閃石: 結晶化学、発生、および健康問題』アメリカ鉱物学会。ISBN 9780939950799. OCLC  176897672.
• FCホーソーン編（2006年）。ランドマーク論文：構造トポロジー。ロンドン：英国・アイルランド鉱物学会。ISBN 0-903056-23-2. OCLC  191821912.
• Frank C. Hawthorne 編 (1988)。鉱物学と地質学における分光学的方法。ワシントン DC: アメリカ鉱物学会。ISBN 0-939950-22-7. OCLC  17967077.