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ガラスにならない超高温酸化物液体が持つ特異構造

—宇宙・地上での実験と大規模理論計算・先端数学の連携による発見—

国立研究開発法人 宇宙航空研究開発機構
国立大学法人 琉球大学
国立研究開発法人 物質・材料研究機構
国立大学法人 京都大学
国立大学法人 弘前大学
独立行政法人 国立高等専門学校機構 函館工業高等専門学校
国立大学法人 東北大学金属材料研究所
株式会社エイ・イー・エス
公益財団法人 高輝度光科学研究センター
国立研究開発法人 理化学研究所
国立研究開発法人 科学技術振興機構

宇宙航空研究開発機構、琉球大学、NIMS、京都大学、ノルウェー科学技術大学、弘前大学、函館工業高等専門学校、東北大学金属材料研究所、エイ・イー・エス、高輝度光科学研究センター、理化学研究所からなる国際共同研究チームは、「きぼう」の静電浮遊炉「ELF」における液体の微小重力下無容器密度計測、大型放射光施設SPring-8の高エネルギーX線を用いた浮遊法による無容器構造計測、ノルウェーグループのスーパーコンピュータを用いた大規模理論計算を併用し、さらに先端数学(パーシステントホモロジー)を利用しながら、ガラスにならない液体として知られている酸化エルビウム(Er2O3)液体 (融点 : 2413℃) の原子配列と電子状態を世界で初めて解明しました。

概要

宇宙航空研究開発機構、琉球大学、物質・材料研究機構、京都大学、ノルウェー科学技術大学、弘前大学、函館工業高等専門学校、東北大学金属材料研究所、エイ・イー・エス、高輝度光科学研究センター、理化学研究所からなる国際共同研究チームは、「きぼう」の静電浮遊炉「ELF」における液体の微小重力下無容器密度計測、大型放射光施設SPring-8の高エネルギーX線を用いた浮遊法による無容器構造計測、ノルウェーグループのスーパーコンピュータを用いた大規模理論計算を併用し、さらに先端数学(パーシステントホモロジー)を利用しながら、ガラスにならない液体として知られている酸化エルビウム(Er2O3)液体 (融点 : 2413℃) の原子配列と電子状態を世界で初めて解明しました。
Er2O3液体は、歪んだOEr4クラスターをはじめとする多様な多面体から構成され、極めて原子の充填率が高く、液体であるにもかかわらず高い周期性を持っていることが明らかになりました。これは、液体には、構造周期性がなくランダムであるという従来の定説を大きく覆す発見です。さらに驚くべきことに、得られた構造モデルに先端数学を適用したところ、Er2O3液体はEr2O3結晶と位相幾何学的に相似の構造が存在することが明らかになりました。
本研究で得られた高温液体構造に関する原子・電子レベルでの理解は、高温液体から生成されるガラスやセラミックス材料の開発や、高温液体であるマグマから鉱物が形成される過程、つまり地球の成り立ちの理解への道筋を示す重要な知見となり得ます。なお本成果は、2020年6月2日 (日本時間) に英国科学雑誌「NPG Asia Materials」にオンライン掲載されました。

「プレスリリース中の図4 : Er2O3液体に存在する歪んだOEr4クラスター (発表論文から引用 (一部改変) )」の画像

プレスリリース中の図4 :
Er2O3液体に存在する歪んだOEr4クラスター
(発表論文から引用 (一部改変) )



特記事項 (発表雑誌)

論文題目: Very sharp diffraction peak in non-glass forming liquid with the formation of distorted tetraclusters
著者 : 小山千尋、田原周太、小原真司(別ウィンドウで開きます)、小野寺陽平、Didrik R. Småbråten、Sverre M. Selbach、 Jaakko Akola、石川毅彦、増野敦信、水野章敏、岡田純平、渡邊勇基、仲田結衣、尾原幸治、田丸晴香、織田裕久、大林一平、平岡裕章、坂田修身(別ウィンドウで開きます)
雑誌名: NPG Asia Materials
発行日: 2020年6月2日
doi: 10.1038/s41427-020-0220-0(別ウィンドウで開きます)


お問い合わせ先

(研究に関すること)

小原真司 (コハラ シンジ)
物質・材料研究機構 先端材料解析研究拠点
主幹研究員
Tel: 0791-58-0223
E-Mail: KOHARA.Shinji=nims.go.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
小山千尋 (コヤマ チヒロ)
宇宙航空研究開発機構 有人宇宙技術部門 きぼう利用センター
研究開発員
田原周太 (タハラ シュウタ)
琉球大学 物質地球科学科物理系
准教授

(JST事業に関すること)

舘澤 博子 (タテサワ ヒロコ)
科学技術振興機構 戦略研究推進部 ICTグループ 

(報道等に関すること)

宇宙航空研究開発機構 広報部
物質・材料研究機構
経営企画部門 広報室
〒305-0047 茨城県つくば市千現1-2-1
TEL: 029-859-2026
FAX: 029-859-2017
E-Mail: pressrelease=ml.nims.go.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
公益財団法人高輝度光科学研究センター
(SPring-8/SACLAに関すること)
利用推進部 普及情報課
理化学研究所 広報室 報道担当
科学技術振興機構 広報課

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