世界一構造秩序のあるガラスの合成と構造解析に成功 ガラスの一見無秩序な構造の中に潜む秩序を抽出

概要

東京工業大学 科学技術創成研究院 フロンティア材料研究所の西山宣正特定准教授と気谷卓助教、川路均教授、京都大学、国立研究開発法人物質・材料研究機構、バース大学、早稲田大学、岐阜大学、弘前大学、東京大学、琉球大学、ラウエ・ランジュヴァン研究所、筑波大学、オークリッジ国立研究所、ラザフォードアップルトン研究所、理化学研究所、ノルウェー科学技術大学、産業技術総合研究所、立命館大学、高輝度光科学研究センターからなる国際共同研究チームは、世界一構造秩序のある永久高密度シリカ（SiO₂）ガラスの合成に成功し、その構造を大型放射光施設SPring-8^[用語1]をはじめとする量子ビーム施設を横断的に利用して明らかにしました。また、ガラスの原子の動き方が密度だけではなく構造にも大きく影響されることを発見しました。そして、パーシステントホモロジー^[用語2]をはじめとするトポロジカル解析により、その構造秩序は、ガラスに存在する原子のつながったリングの形が圧力と温度により変形しつつ形成されることによることをつきとめました。本研究により、ガラスを作る圧力と温度を精密に制御すればガラスの構造を自在に操れることが示され、高屈折ガラスや高強度ガラス、高性能光ファイバーの合成に新たな道を切り拓きました。

本研究成果は、2020年12月23日に国際学術誌「NPG Asia Materials」誌のオンライン版に掲載されました。

背景

ガラスは古くから人類によって作られ、利用され続けている機能材料の一つで、我々の生活に欠かせないものです。ガラスは原料を加熱して得た液体を急速に冷却（急冷）することで得られます。物質は加熱されて液体になった時、その構造は結晶のように規則正しく配列していないことが知られていますが、ガラスは液体の構造をそのまま凍結した固体であるため、原子配列の規則性を失っています。そして、ガラスは作製時の急冷速度やその後の処理温度、圧力の印加によって原子配列の変化に伴った機能の修飾が可能です。

ガラスを加熱すると結晶化しますが、この結晶化を抑制しつつ高い構造秩序を有したガラスを合成することは、材料開発の新しい基軸となると考えられてきました。しかし、ガラスの乱れた構造を定量的に評価することはこれまで非常に困難であり、それゆえ、その構造制御による新規材料開発は結晶材料と比べて著しく立ち遅れておりました。

研究成果

今回、研究グループは大型放射光施設SPring-8のBL04B2および海外の中性子施設を横断的に利用した量子ビーム実験^[用語3]から、1,200 ℃かつ7.7 GPa（約7.7万気圧）において温度と圧力を精密に制御して合成したシリカ（SiO₂）ガラス（図1）に、現在までに報告されているガラスの中で最も間隔が揃った原子配列、すなわち世界一の構造秩序があることを発見しました。さらに、室温で圧力のみを印加して同じ密度のガラスを作ったところ、この低温圧縮ガラスには構造秩序がないことも確認しました（図2）。また、中性子非弾性散乱^[用語4]と比熱測定^[用語5]によって2つのガラスの原子の動きを測定したところ、ガラス特有の低エネルギー励起とされるボゾンピーク^[用語6]が構造秩序によって大きく影響を受け、ボゾンピークが密度だけではなく構造によっても変化することを明らかにしました（図3）。

さらに、実験データに基づいた計算機シミュレーションと、先端数学のトポロジーを応用したパーシステントホモロジーの連携によって、世界一構造秩序のあるSiO₂ガラスが形成するリング構造は、室温での圧縮で得られた同じ密度を持つSiO₂ガラスと比べてより変形しているものの、Si原子同士がより規則正しく並んでいることが明らかになり、これが世界一の構造秩序の理由であることが分かりました（図4）。本研究で開発した解析手法によって、ガラスのような一見無秩序に見える構造の中に潜んだ秩序を見出すことが、初めて可能となりました。

波及効果、今後の予定

本研究によって得られた知見により、温度と圧力を駆使した構造制御によるガラスやガラスセラミックスを創製できる道が切り拓かれたと言えます。新規高屈折率ガラスや高強度ガラス、高性能光ファイバーの合成への応用が期待されます。

研究者のコメント

乱れた原子配列を持つガラスの構造研究はこれまで非常に挑戦的な研究とされてきましたが、国内外の多くの研究者のご協力の元、実験と計算、そして最先端のトポロジカル解析を総動員することによって、今回、世界一秩序のあるシリカガラスの構造を明らかにできました。本研究を通して学んだ多くのことを活かせるよう今後も自己研鑽に励み、たくさんの人の役に立つ材料開発に繋がるより良い研究を展開していきたいと思います。

論文情報

掲載誌 :	NPG Asia Materials
論文タイトル :	Structure and properties of densified silica glass: Characterizing the order within disorder （高密度化シリカガラスの構造と物性：無秩序の中の秩序の解明）
著者 :	小野寺陽平、小原真司、Philip S. Salmon、平田秋彦、西山宣正、気谷卓、Anita Zeidler、志賀元紀、増野敦信、井上博之、田原周太、Annalisa Polidori、Henry E. Fischer、森龍也、小島誠治、川路均、Alexander I. Kolesnikov、Matthew B. Stone、Matthew G. Tucker、Marshall T. McDonnell、Alex C. Hannon、平岡裕章、大林一平、中村壮伸、Jaako Akola、藤井康裕、尾原幸治、谷口尚、坂田修身
DOI :	10.1038/s41427-020-00262-z

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