ガラスが熱で変形しやすいのはなぜか、原子レベルで一端を解明
2017.05.30
(2017.05.31 更新)
京都大学
物質・材料研究機構
立命館大学
千葉大学
高輝度光科学研究センター
科学技術振興機構
京大、NIMSなどの研究チームは、大型放射光施設SPring-8の高輝度放射光X線、中性子、核磁気共鳴から得られるデータからガラスの原子配列を忠実に再現するデータ駆動型構造モデリング法を世界で初めて適用し、ガラス材料に酸化亜鉛を加えると予測に反し熱膨張係数が大きくなるという異常なふるまいを原子レベルで明らかにしました。
概要
ガラスは、我々の生活に欠かせない材料です。可視光に対し透明で加工しやすく、熱的にも化学的にも安定といったガラス固有の性質を持っていますが、なぜこのような機能が現れるのかという原子レベルのメカニズムは分かっていませんでした。メカニズム解明にはガラスの原子配列を調べる必要がありますが、実用ガラス材料は多くの元素から構成されているのに加え、ガラスにおける原子配列は結晶のような規則性がないため、配列の把握には大きな困難を伴います。
京都大学、物質・材料研究機構、立命館大学、千葉大学、高輝度光科学研究センター、科学技術振興機構の共同研究チームは、大型放射光施設SPring-8の高輝度放射光X線、中性子、核磁気共鳴 (以下、NMR)から得られるデータからガラスの原子配列を忠実に再現するデータ駆動型構造モデリング法を世界で初めて適用し、ガラス材料に酸化亜鉛(以下、ZnO)を加えると予測に反し熱膨張係数が大きくなるという異常なふるまいを原子レベルで明らかにしました。
今回の研究では、加工時の省エネルギーの観点から低融点な光学ガラス材料として有望視されているZnO-P2O5ガラスを対象に、熱膨張係数が異常なふるまいをするメカニズムを実験で検証しました。SPring-8の共用ビームラインBL01B1ならびにBL04B2においてXAFS実験、高エネルギーX線回折実験を行い、さらにNMR計測から得られたデータおよびすでに報告されている中性子回折データを併用してこれらの実験データを同時に再現するデータ駆動型構造モデリング法を世界で初めて適用しました。その結果、ガラスの組成を変化させたときに現れる熱膨張係数の異常の原因はガラスのネットワーク構造の担い手がPO4四面体からZnOx(x < 4)多面体に移っていることにあることが分かりました。
今回の発見は、ガラスの機能発現メカニズムをガラス構造から原子レベルで明らかにしたものです。今後、こういった知見を蓄積することにより、超高屈折率ガラスや新規セラミックスのような革新的材料の開発への道筋を示す重要な知見となることが期待されます。
今回の研究成果は、2017年5月31日 (日本時間) に英国の科学雑誌 Nature Communicationsに掲載されます。
プレスリリースの図2 : ネットワーク構造の変化
ZnOの添加量が小さい60ZnO-40P2O5ガラスにおいてはPO4四面体がネットワークを形成しているが、ZnOの添加量が大きい70ZnO-30P2O5ガラスにおいてはPO4ネットワークが遊離した4ユニット (Q0) とP2O7二量体 (Q1) に分断され、代わりにZnxOy多面体によるネットワークが形成される。
