ガラスの熱変形の仕組み解明―原子レベルの構造変化突き止める：京都大学／物質・材料研究機構

(2017年5月31日発表)

　京都大学や（国）物質・材料研究機構などの研究チームは5月31日、ガラスがなぜ熱で変形しやすいのかというナゾの一端を世界で初めて原子レベルで解明したと発表した。X線や放射光、中性子などによる解析で得られたデータを総合して不規則なガラスの原子配列を再現、熱による膨張の仕組みを明らかにした。超高屈折率ガラスなどの革新的材料の開発につながると期待している。
　研究チームには立命館大学や千葉大学、高輝度光科学研究センター、科学技術振興機構も参加した。
　実験ではZ_nO- P₂O₅ガラスを試料として使い、さまざまな特性を調べた。その結果、本来ならZ_nO添加量が増えると小さくなるはずのガラスの膨張率が反対に大きくなるという異常現象を発見した。そこでZ_nOの添加量に伴ってガラスの原子レベルの構造がどう変化しているかを調べた。
　大型放射光施設「SPring-8」の高輝度放射光X線や中性子、核磁気共鳴（NMR）装置で得られるデータを総合的に利用、ガラス内部の原子配列を忠実に再現する解析手法「データ駆動型構造モデリング法」を世界で初めて応用して解析した。
　その結果、酸化亜鉛が添加されていない純粋なP₂O₅ガラスでは、リン原子が4個の酸素原子と結合したPO₄四面体が酸素を頂点として共有してネットワーク構造を作っていた。ところが酸化亜鉛が多くなると、PO₄四面体の代わりに亜鉛と4個より少ない数の酸素が結合したZ_nO_x多面体がネットワーク作りを主に担い、その結果として熱膨張係数に異常が生じることがわかった。
　ガラスの歴史は紀元前4,000年より前にまでさかのぼるほど古く、極めて身近な材料。しかし原子配列に結晶のような規則性がないため、透明で加工しやすいなどのガラス固有の性質がどうして現れるのかについてはこれまでほとんど未解明だった。
　今回の成果について、研究チームは「今後、原子レベルの構造に裏打ちされた新しい機能性ガラスが設計できる時代が来る」と期待している。

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