ガラス状固体の内部で発生する微小な粒子運動の可視化に成功：研究開発の最前線

東京大学先端科学技術研究センターは、ガラス状固体の内部で発生する粒子の微小な動き「遅いβ緩和」を直接可視化することに成功した。ガラスの基礎理解に役立つ他、長時間安定した性質を持つ新材料などの開発に応用できる可能性がある。

[MONOist]

　東京大学先端科学技術研究センターは2023年4月21日、ガラス状固体の内部で発生する粒子の微小な動き「遅いβ緩和」を直接可視化することに成功したと発表した。

　ガラス状の固体は、安定した状態の結晶とは異なり、液体のように不規則な粒子配置のまま固まる。そのため、長い時間のうちに寸法と硬さが変化するエイジング現象や脱硝という結晶化が起こることがある。このことから、内部でわずかな運動が起きていると考えられるが、これまで詳細なメカニズムは不明だった。

　同研究では、磁石の円盤を詰めたセルを実験装置に装着し、2次元粉体（粒子の集合体）系の内部運動を長時間観察した。

ガラスにおいて起きる内部運動を直接観察するための実験装置の模式図［クリックで拡大］ 出所：東京大学先端科学技術研究センター

　その結果、ガラス転移に伴い粒子間に固い結合が生まれ、粒子の位置が大きく変わるような運動が抑制された。一方で、別のゆっくりとした粒子運動モードが出現することが明らかとなった。

ガラス転移点近傍で観察された粒子運動の例。Nbが大きいほど粒子の運動が大きいことを示す 出所：東京大学先端科学技術研究センター

　また、相互作用する粒子間の距離が短い場合は、遅いβ緩和が抑制され、長い場合は遅いβ緩和が明確に観測されることも分かった。

　今回の研究成果は、ガラス状態の基礎を理解するのに役立つだけでなく、適した機械的性質や長時間安定した性質を持つ新材料などの開発に応用できる可能性がある。

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