東大,ガラスに固さが表れる機構を解明

東京大学の研究グループは,ガラスのような乱れた構造をもつ物質に固さがあらわれる物理的な機構を解明した(ニュースリリース)。

アモルファス物質は,熱伝導性がはるかに低いなど,結晶とは異なる特異な性質を持っている。また,結晶の弾性はその周期構造に起因していることは広く知られているが,ガラスのような乱れた構造をもつ物質に固さがあらわれる物理的なメカニズムは未解明のままであり,研究グループは,この謎を明らかにすべく研究を行なった。

ガラスの絶対零度での固有状態は,力学的な安定性のため,応力の長距離にわたる伝搬が可能であり,固体性が存在する。身近な例では,砂山のような粉体系は力学に支配されており,その固さはこのような力学的なネットワークの微妙なバランスで支えられていることが知られている。

結晶の場合には,その固有状態である周期構造が,その熱力学的な安定性のおかげで有限温度でもそのまま極めて安定に保たれ,その結果,融点まで固さが保たれることが自然に理解できる。このことはまた,線形ばね近似による記述が成り立つことを意味する。

一方,ガラスのような乱れた構造を持つ物質の固有状態は,有限温度では安定ではなく,そのため固有状態を基準とした理解は,本質的に難しいことを明らかにした。

これに対し,研究グループは,ガラス状態の固さについて,液体を冷やしてガラス転移点に近づけると,遠方まで力が伝わるようになること,そしてその起源が,系全体にわたる力を支えるネットワークの形成にあることを明らかにした。このことは,アモルファス物質の固体化は,無秩序な力学的構造の自己組織化の結果であることを示しているという。

この成果は,アモルファス固体と非平衡なガラス転移現象を理解する上で,力学的視点が重要であることを示唆するもの。非晶質固体中における力を支えるネットワークの安定性は,ガラスのエイジングやガラスの結晶化,さらには,応力下での破壊などの様々な現象に重要な役割を果たしていると考えられ,ガラスにかかわる様々な分野に大きく貢献するものとしている。

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