無秩序な原子配列だと思われていたガラスに秩序性を発見：研究開発の最前線

東京大学は、新たな可視化手法を用いて、無秩序な原子配列だと思われていた無容器法で合成したガラスが、高い秩序性のある原子配列になっていること発見した。

[MONOist]

　東京大学は2024年7月25日、無秩序な原子配列だと思われていた無容器法で合成したガラスが、高い秩序性のある原子配列になっていることを発見したと発表した。京都大学、東北大学らと共同で、新たな可視化手法を用いて解明した。

　一般的なガラスに含まれる原子は、例外なく緩やかな不規則ネットワーク構造を形成している。これに対して同研究グループは、このような構造を持たない、通常の手法ではガラス化しないような組成でも無容器法を使うことで、超高屈折率ガラス、超高弾性率ガラスなどの高機能ガラスを合成してきた。これまで無容器法で合成したガラスは非常に歪んで乱れた原子配列だと思われてきた。

　同研究チームは、無容器法で合成したガラスの中で超高屈折率ガラスとして知られるBaTi₂O₅ガラスに着目。これまでの研究で同ガラスは、通常のガラスよりも歪んで密に詰まった原子配列だと判明していたが、より詳しい分析を進めたところ、結晶のように高い秩序性のあることが分かった。

　今回、新たに開発した原子配列の秩序性を可視化する手法（還元原子配列マップ）を使うことで、同ガラス中のどの原子から見ても、その周り約5オングストロームの範囲にある原子は、最密充填配列に近い位置にいることが分かった。この結果は、BaTi₂O₅がネットワーク形成物質を持たないにもかかわらずガラス化したのは、最密充填配列から各原子がわずかにずれたことが要因であることを意味する。

（左）無容器法で合成したガラス。（中）分子動力学シミュレーションによって作製したガラスの原子配列モデル。（右）原子配列モデルの座標から計算した還元原子配列マップ［クリックで拡大］ 出所：東京大学

　このような原子配列は、通常のガラスの不規則ネットワーク構造とは全く異なり、原子配列の秩序度合いという観点では、結晶と一般的なガラスとの中間に位置していると言える。また、無容器法で合成した他の高機能ガラスも同様の原子配列になっていることが判明。これは、通常のガラスとは異なる「高秩序ガラス」とでも呼ぶべき新しい材料群が存在することを意味する。

　今回新たに開発した可視化手法により、無秩序なガラスについて原子配列の秩序度という概念の定量化に成功した。無容器法で合成した高機能ガラスの不思議な構造が還元原子配列マップを使うことで、定量的に相互比較し、原子配列と物性の関係性を探索できるようになった。

　また定量化できたことで、ガラスの秩序度をどこまで高められるかの予測も可能になる。今後、原子配列の細かい操作により、ガラスの性能向上が期待される。

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