研究成果

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年06月01日


     小野寺陽平 原子炉実験所助教らの研究グループは、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、科学技術振興機構と共同で、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(温度の上昇によって物質の体積が膨張する割合を示した物理量)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。

     本研究成果は、2017年5月31日午後6時に英国の科学雑誌「Nature Communications」に掲載されました。

    研究者からのコメント

     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。

    概要

     ガラスは、私たち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。

     本研究グループは、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(X線吸収微細構造)実験、高エネルギーX線回折(物質にX線が入射したとき、入射した方向とは違ったいくつかの特定の方向に強いX線が進む現象)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ZnOxx<4)多面体に移っていることにあることが分かりました。

    図: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PO4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。

    詳しい研究内容について

    書誌情報

    【DOI】 https://doi.org/10.1038/ncomms15449

    【KURENAIアクセスURL】 http://hdl.handle.net/2433/225118

    Yohei Onodera, Shinji Kohara, Hirokazu Masai, Akitoshi Koreeda, Shun Okamura & Takahiro Ohkubo (2017). Formation of metallic cation-oxygen network for anomalous thermal expansion coefficients in binary phosphate glass. Nature Communications, 8, 15449.

    • 科学新聞(6月9日 4面)に掲載されました。

    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
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