ガラスがより硬く割れにくく変身する過程を直接観測―ガラス中に結晶核が生成するメカニズムをモデル化：物質・材料研究機構ほか
(2024年4月19日発表)
（国）物質・材料研究機構（NIMS）と高輝度光科学研究センター、AGC（株）の共同研究グループは4月19日、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たと発表した。
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説明できるモデルが構築できたという。
ガラスセラミックスは、ガラス中に微細な結晶粒子を析出させた材料。ガラス特有の透明性、絶縁性を備えている一方、割れにくく、急激な温度変化に強いといったガラスの弱点を補う特性を示すことから、モバイル機器のカバーガラスやIHクッキングヒーターのトッププレートなどに用いられている。近年では、人工歯への応用が進められるなど次世代材料として注目されている。
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るが、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ない。
研究グループは今回、酸化ジルコニウムを添加したリチウムアルミノケイ酸塩ガラスを対象に、こ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察した。
播磨科学公園都市にある大型放射光施設SPring-8のビームラインを用い、そこに、特定元素周囲の構造情報を実験的に抽出・解析できるX線異常散乱法と呼ばれる手法を導入、また、X線吸収分光、X線回折、X線小角散乱という複数の手法を併用し、広い空間スケールでの構造解析を実現した。
その結果、ジルコニウムが豊富な領域で、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や、酸化ジルコニウム結晶核の周囲にはジルコニウムが酸素を介してシリコンやアルミニウムと連結した結合が存在することを見出した。初期の結晶核の構造を明らかにしたもので、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がつくれたとしている。
