ガラスがより硬く割れにくく変身する過程を直接観測

~放射光X線マルチスケール構造解析に基づく構造変化モデルの提案~

2024.04.19

NIMS (国立研究開発法人物質・材料研究機構)
公益財団法人高輝度光科学研究センター (JASRI)

NIMSとAGC株式会社、JASRIからなる研究チームは、ガラスが部分的に結晶化し、強度や耐熱性が向上したガラスセラミックスと呼ばれる材料に変化する初期過程を観測することに成功しました。

概要

  1. NIMSとAGC株式会社、JASRIからなる研究チームは、ガラスが部分的に結晶化し、強度や耐熱性が向上したガラスセラミックスと呼ばれる材料に変化する初期過程を観測することに成功しました。さらに、放射光計測を中心としたX線マルチスケール構造解析の結果に基づき、ガラス中に結晶の核が生成するメカニズムを原子レベルからナノメートルの空間スケールで矛盾なく説明できるモデルを提案しました。
  2. ガラスセラミックスを得るためには、熱処理によって部分的に結晶が析出するように組成を設計・制御したガラスを合成することが必要となります。ガラスセラミックスの構造については、母相であるガラスの中に結晶の種である結晶核が生成し、そこから結晶粒子が成長していくと考えられていますが、ガラスの中に結晶核がどのように生成・成長してガラスセラミックスが得られるのかは明らかにされていませんでした。
  3. 今回、研究チームは、応用面で最も一般的かつ重要な酸化ジルコニウム (ZrO2) を添加したリチウムアルミノケイ酸塩ガラスを対象に選び、そのガラスがガラスセラミックスに変化する初期過程を、放射光計測を中心としたX線マルチスケール構造解析によって観測しました。ナノスケールでの構造計測では、熱処理前のガラスにもともと存在したジルコニウム (Zr) が豊富な領域とZrが希薄な領域の間の分離が熱処理によって促進され、Zrが豊富な領域でナノサイズの微小な大きさを保ったまま結晶核の形成が進行することが明らかになりました。さらに、Zrを選択的に観測できる構造計測技術を駆使することによって、ZrO2結晶核の周囲にはZrが酸素 (O) を介してシリコン (Si) やアルミニウム (Al) と連結したZr–O–Si/Al結合が存在することを初めて見出し、初期の結晶核の構造を明らかにしました。そして、ガラス中に結晶核が生成するメカニズムを原子レベルからナノメートルの広い空間スケールで矛盾なく説明できるモデルを提案することに成功しました。
  4. 本研究で用いられた構造解析手法は、複雑な組成と乱れた原子配列を有する実用材料にも適用できるものです。今後は、様々な実用材料の機能発現メカニズムを明らかにし、その知見を基にした新規高機能材料の合成を目指していきます。
  5. 本研究は、NIMSマテリアル基盤研究センターの小野寺陽平主任研究員、小原真司グループリーダー、AGC株式会社の滝本康幸マネージャー、土屋博之マネージャー、李清マネージャー、JASRIの田尻寛男主幹研究員、伊奈稔哲研究員からなる研究チームによって、日本学術振興会科学研究費助成事業・学術変革領域研究 (A) 「超秩序構造が創造する物性科学」 (20H05878、20H05881) 、基盤研究 (C) (19K05648)の一環として行われました。
  6. 本研究成果は、日本時間2024年4月19日9時に学術誌「NPG Asia Materials誌」にオンライン掲載されました。

「プレスリリース中の図: 本研究で明らかになったガラスとガラスセラミックスのナノスケール〜原子スケールでの構造変化」の画像

プレスリリース中の図: 本研究で明らかになったガラスとガラスセラミックスのナノスケール〜原子スケールでの構造変化

掲載論文

題目 : Formation of a zirconium oxide crystal nucleus in the initial nucleation stage in aluminosilicate glass investigated by X-ray multiscale analysis
著者 : Yohei Onodera, Yasuyuki Takimoto, Hiroyuki Hijiya, Qing Li, Hiroo Tajiri, Toshiaki Ina, Shinji Kohara
雑誌 : NPG Asia Materials
掲載日時 : 2024年4月19日
DOI : 10.1038/s41427-024-00542-y

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