東北大学・早稲田大学
不規則なガラス構造に潜む規則性を発見
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東北大学未踏スケールデータアナリティクスセンター（同大学院情報科学研究科兼任） の志賀元紀教授と 早稲田大学理工学術院の平田秋彦教授ら の研究グループはシリコンと酸素だけからなるシリカガラス（石英ガラス）のネットワークに内在するリング構造に着目して，真円度および粗さという新たな指標を開発し，リング構造の3次元的な定量化に成功した。
ガラスは、窓ガラスやディスプレイのように現在の日常生活に欠かせない基盤材料である。一方で、 その原子配置が一見無秩序で複雑なために、 構造の理解や制御が難しく 、 合理的な機能材料設計には多くの課題が残されている。これらの課題を解決するためにガラス構造の定量的な評価技術が必要とされ、これまで国内外で幾何学などに基づく解析法の開発が取り組まれてきた。
しかし、これまでの研究ではガラス中に存在するリングを構成する原子数のみを指標として解析が行われてきたが、３次元的な形状の異なるリングを区別することは不可能だった。そこで今回の研究では、 “真円度“や“粗さ “という指標を新たに定義することによって「リング形状」 の定量評価法を実現した。
この技術を、窓ガラスなどに用いられるシリカ（SiO2）のガラス、 および、SiO2 組成を有する複数の結晶の構造解析に応用し、 ガラスおよび結晶に含まれるリングの代表的な特徴（形状および対称性）を網羅的に解析した。 シリカ には他の化学組成の材料では見られないほど多様な結晶構造が存在するが、今回の解析によって、 ガラス中には数種のシリカ結晶に類似した構造が存在する一方、ガラス特有の形状を有するリング構造も数多く存在していることを新たに明らかにした。この新たな知見はリング形状の定量評価技術によって初めて得られたものであり 、 ガラス化および結晶化のような状態転移を理解するために重要な結果といえる。
本研究では、さらに、リング形状だけでなく 「リングの向き」を自動決定する計算法を開発しその手法に基づき「リング周辺の原子の存在確率」 を計算する技術を開発した。この技術を用いたガラスの構造解析によって、ガラス構造の規則を理解する上で大事な 2 つの知見を得られた。
１番目の知見は、 ガラス構造においても 、 結晶構造と同様な異方性が存在することだ。 マクロレベルのスケールでは、 ガラスは等方的と考えられているが、 異方性を持つ局所構造の秩序を、リング構造の方位を揃えて原子分布を可視化することで、その特徴を初めて定量的に明らかにした。
２番目の知見は、 ガラスに含まれる規則正しいリングの周辺には、 結晶に似た規則正しい構造秩序が形成されていることだ。 ガラスにおいては、前述のように、化学結合長を超えた距離スケールでの構造の規則性が放射光施設などにおける計測によって確認されている。例えば、ガラスの回折実験で観測される特徴的な鋭いピーク（First Sharp Diffraction Peak： FSDP）は、ガラスにおいて、化学結合長を超えたスケールでの構造秩序（中距離構造秩序） が存在する証拠となる。 今回得られた知見は、これまでも議論されてきたこの構造秩序と密接に関係しており、すなわち、中距離構造秩序あるいは FSDP の形成に寄与する構造ユニットを初めて同定した成果となる。
研究グループは、新開発の材料構造の定量評価技術はガラス材料の物性発現の解明、さらにデータ駆動型の高性能材料探索への寄与が期待されるとしている。
※本記事の内容は掲載日時点の情報です。詳しい情報は大学公式HPから確認してください。
■参考ページ
https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2023/11/press20231121-01-glass.html
https://www.waseda.jp/inst/research/news/75697
■東北大学
https://www.tohoku.ac.jp/japanese/
■早稲田大学
■大学案内（東北大学）
https://www.toshin-daigaku.com/detail.php?id=007
■大学案内（早稲田大学）
https://www.toshin-daigaku.com/detail.php?id=153
