東北大ら,不規則なガラス構造に潜む規則性を発見

東北大学と早稲田大学は,シリコンと酸素だけからなるシリカガラス(石英ガラス)のネットワークに内在するリング構造に着目して,真円度および粗さという新たな指標を開発し,リング構造の3次元的な定量化に成功した(ニュースリリース)。

ガラスは,窓ガラスやディスプレーのように現在の日常生活に欠かせない基盤材料である一方,その原子配置が一見無秩序で複雑なために,構造の理解や制御が難しく,合理的な機能材料設計には多くの課題が残されている。

研究グループは,材料中の化学結合ネットワークに内在するリング構造の規則性の3次元的な定量評価を行なった。今回の研究では,真円度や粗さという指標を新たに定義することによってリング形状の定量評価法を実現した。

この技術を,窓ガラスなどに用いられるシリカ(SiO2)のガラス,および,SiO2組成を有する複数の結晶の構造解析に応用し,ガラスおよび結晶に含まれるリングの代表的な特徴を網羅的に解析した。

シリカには他の化学組成の材料では見られないほど多様な結晶構造が存在するが,今回の解析によって,ガラス中には数種のシリカ結晶に類似した構造が存在する一方,ガラス特有の形状を有するリング構造も数多く存在していることを新たに明らかにした。

この新たな知見はリング形状の定量評価技術によって初めて得られたものであり,ガラス化および結晶化のような状態転移を理解するために重要な結果といえるという。

今回の研究では,さらに,リングの向きを自動決定する計算法を開発し,その手法に基づきリング周辺の原子の存在確率を計算する技術を開発した。この技術を用いたガラスの構造解析によって,ガラス構造の規則を理解する上で大事な2つの知見を得た。

1番目の知見は,ガラス構造においても,結晶構造と同様な異方性が存在すること。マクロレベルのスケールでは,ガラスは等方的と考えられているが,異方性を持つ局所構造の秩序を,リング構造の方位を揃えて原子分布を可視化することで,その特徴を初めて定量的に明らかにした。

2番目の知見は,ガラスに含まれる規則正しいリングの周辺には,結晶に似た規則正しい構造秩序が形成されていること。ガラスにおいては,前述のように,化学結合長を超えた距離スケールでの構造の規則性が放射光施設などにおける計測によって確認されている。

例えば,ガラスの回折実験で観測される特徴的な鋭いピーク(FSDP)は,ガラスにおいて,化学結合長を超えたスケールでの構造秩序が存在する証拠となる。

研究グループは,新開発の材料構造の定量評価技術は,ガラス材料の物性発現の解明,さらに,データ駆動型の高性能材料探索への寄与が期待されるとしている。

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