なぜガラスはかたいのか？、東大生研が物理的な機構を解明

東京大学生産技術研究所(東大生研)は、ガラスのような乱れた構造を持つアモルファス物質の弾性がどのような物理的起源で現れるのかについて、数値シミュレーションを基礎とした理論的研究を実施し、液体を冷やしてガラス転移点に近づけると、遠方まで力が伝わるようになること、そしてその起源が、系全体にわたる力を支えるネットワークの形成にあることを明らかにしたと発表した。

同成果は、同大学生産技術研究所の田中肇教授(研究当時、現:名誉教授/シニア協力員)、トン・フア特任研究員(研究当時、現:上海交通大学准教授)、セングプタ・シーラ博士研究員(研究当時、現:インド工科大学ルーキー校助教授)らの研究チームによるもの。詳細は、英オンライン科学誌「Nature Communications」に掲載された。

固体は原子の並び方で選別すると、規則正しく並んだ結晶と、ガラスに代表される不規則なアモルファス(非晶質)の2種類に分類される。アモルファス物質はその熱伝導性が結晶に比べて低いなど、結晶とアモルファス物質とではその特徴に違いがある。

アモルファス物質は原子の配列が乱れているにもかかわらず、ガラスのようになぜ固さ(硬さ)が現れるのか、その物理的なメカニズムはよくわかっていなかった。ガラスは熱力学的には非平衡状態にあり、構造に周期性がない。したがって、アモルファス物質の固さ(硬さ)の起源となる自己組織化の原理が何であるのかは、謎に包まれていたのである。そこで研究チームは今回、その長年の謎に挑んだという。

ガラスの絶対零度での固有状態は、力学的な安定性のため、応力の長距離にわたる伝達が可能であり、固体性が存在する。研究チームが発見したのが、応力の長距離にわたる伝達が、温度冷却時の「ガラス転移点」で実現されることだった。ガラス転移点とは、液体を冷却して過冷却(本来なら固体化する温度を下回っても液体のままであること)状態にしたとき、さらに冷却するとガラス(アモルファスな固体)になるが、その移り変わることをガラス転移、その移り変わる温度をいう。

そして、巨大な非調和的な熱ゆらぎの下でも長距離の応力伝達を可能にしているのは、全系にわたる力を支えるネットワークの形成であることも明らかにした。このことは、アモルファス物質の固体化は、無秩序な力学的構造の自己組織化の結果であることを示しているとする。

また、アモルファス物質中の空間的な力学的ネットワークの安定性は、ガラスのエイジングに伴う経年変化やガラスの結晶化、さらには破壊減少などのさまざまな現象に重要な役割を果たしていると考えられるという。例えば、ガラスのエイジングは、力学的ネットワークの不安定化に伴う雪崩的な現象が繰り返し起こる結果として理解することが可能だとしている。

なお、研究チームは、コロイド分散系のゲル化に伴う固体性の出現に関しても、力学的なネットワークの形成に伴う弾性の出現という、同様の研究成果を得ている。これらの成果から、ガラス状態とゲル状態という無秩序な構造を持つ2つの非平衡状態の弾性の背景には、力学的ネットワークのパーコレーション(染み出し)という普遍的な起源があることが示唆されているとしている。また、非エルゴート性と剛性の根本的な関係だけでなく、ガラスとゲルの共通性の違いを理解する上で、力学的な視点の重要性を示す知見であるとしている。