ガラス形成液体の非ニュートンレオロジーを定量的に説明できる理論を確立：研究開発の最前線

東京大学は、ガラス形成液体の非ニュートンレオロジーに関して、実験結果の定量的な説明に成功した。20年以上未解決だった理論と観測の不整合を、従来の移流とは異なるひずみのメカニズムを理論に組み込むことで解決した。

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　東京大学は2024年7月1日、ガラス形成液体の非ニュートンレオロジーに関して、実験結果の定量的な説明に成功したと発表した。20年以上未解決だった理論と観測の不整合を、従来の移流とは異なるひずみのメカニズムを理論に組み込むことで解決した。名古屋大学との共同研究による成果だ。

　ガラス形成液体は、過冷却状態にあると粘性率が大きいネバネバした流体となるが、流れが速くなると粘性率が急激に減少するシアシニング現象を示す。その特徴として、流れの速さ（剪断流）に対して、ベキ乗則に従って粘性率が減少するということが挙げられる。

ガラス形成液体に剪断流をかけたときの流れの様子出所：東京大学

　この現象を説明するため、従来は流体を構成する原子と分子の運動方程式に基づいた、モード結合理論が用いられてきた。しかし、実験や計算機シミュレーションによる観測結果とベキ乗則の指数が合わないなど、理論と観測の不整合が指摘されていた。

　今回の研究では、原子と分子の移流が起こる前に生じる弾性的なひずみに着目。このひずみが粘性率減少の起因となることを解明した。さらに、このひずみのメカニズムをモード結合理論に組み込んだところ、観測結果と整合が取れ、現象を定量的に説明できる理論の確立に成功した。

いくつかのガラス形成液体について剪断率γ（剪断流の速さ）を変えたときの粘性率の振る舞いの計算機シミュレーションによる観測結果［クリックで拡大］出所：東京大学

　この成果は、ガラス材料の高性能化や機能性付与に向けた生産加工技術などへ応用できる。さらに今後、より高性能で新機能を持つガラス材料の開発への貢献が期待される。