ガラス内部で起きるミクロな「雪崩」現象の原因を解明 結晶化とエイジングに共通メカニズム
粒子の「雪崩」と構造「骨格」の変化と相関
粒子運動が局所的に引き起こされた（黄丸）後、「雪崩」のような急激な構造変化が全体に波及する（赤）。雪崩に伴い骨格の組み換えが起きる（赤線）。雪崩前の力のバランスを保っていた骨格構造（青線）の大部分は変化しない。
© 2017 柳島大輝、John Russo、田中肇
東京大学生産技術研究所の田中肇教授、John Russo（ジョン・ルッソ）特任助教（現：英国ブリストル大学講師）、柳島大輝日本学術振興会特別研究員の研究グループは粒子配置が乱雑なまま凍結したガラス状態の固体が、突然、「雪崩」のような粒子運動を経て秩序だった状態に変化する「雪崩」現象の機構を、数値シミュレーションにより解明しました。更に「ガラスの結晶化」と古い窓ガラスの歪みなどに代表される「ガラスのエイジング」が、共通の機構に支配されていることを明らかにしました。本研究は、ガラス状態を安定化するための新たな原理を提供し、今後の新素材の開発につながると期待されます。
近年、液体のような構造を持ちながら固体のようにふるまう「ガラス状態」が注目されています。研究グループは多数の剛体的な球形粒子の配置が乱雑なまま固まったガラスを対象としたシミュレーションを行い、雪崩的な多数の粒子の運動を伴って起きる急激な構造変化が、近接粒子の配置の乱れが大きく隙間の多い、少数からなる粒子集団の運動をきっかけにして起きることを明らかにしました。そして、その少数の粒子移動が、構造骨格が保っていた力のバランスを壊し、その結果、大きな「雪崩」となって系全体に影響を及ぼすことを明らかにしました。
ガラスとは液体の構造を保ったまま凍結した固体材料ですが、長期にわたるゆっくりとした構造変化に伴い、その特性が失われることがあります。構造が変わることで、体内での吸収速度が変わってしまう医薬品、電子特性が著しく劣化してしまう半導体材料、氷の形成によって細胞骨格などが崩れてしまう低温保存中のバイオ試料などの分野で、ガラスの構造変化の機構解明が急務とされてきました。
「これまで、一見極めて安定に見えるガラス状態が、どのように、結晶化したりエイジングしたりするのかについては、十分な理解がされていませんでした。今回の研究は、少数の粒子のわずかな運動がきっかけとなり、系の力学的なバランスが失われ、その結果雪崩現象が誘発され、不可逆的な構造変化がもたらされることを示しています。その意味で、この現象は本物の雪崩とよく似ています」と田中教授は説明します。「この知見が、ガラス状態にある材料や薬の安定化に役立てば」と期待を寄せます。
論文情報
, "Common mechanism of thermodynamic and mechanical origin for ageing and crystallization of glasses", Nature Communications Online Edition: 2017/06/29 (Japan time), doi:10.1038/ncomms15954.
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