不規則なガラス構造に潜む規則性を発見～ガラスの物性評価や効率的な新規ガラス開発の指針に～

2023-11-21

2023-11-21 東北大学

未踏スケールデータアナリティクスセンター　教授　志賀元紀

【研究成果のポイント】

ガラス^（注１）構造から抽出したリング形状を定量化することで、無秩序に見えるガラス構造内在する規則性を数値評価する技術を開発しました。
リング形状とその周辺における原子の存在確率を定量化することによって、ガラス中における結晶^（注２）に類似する構造の抽出に成功しました。
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ます。

【概要】

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す。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、合理的な材料設計には多くの課題が残されています。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ました。

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ました。従来、リングの構成原子数のみが解析に用いられてきましたが、本指標を用いることで、ガラスを構成するリングには、数種のシリカ結晶と同様なものと、ガラス独特の形状のリングが共存することを初めて明らかにしました。さらに、リング周辺における原子分布を定量化することによって、ガラスの局所構造は結晶と同様に異方性を持ち、強い秩序が存在することを明らかにしました。

本研究成果は、Communications Materialsに2023年11月3日にオープンアクセス公開されました。

図1. リング構造の形状指標：（a）形状指標の計算手順、(b)シリカ（SiO₂）のリング形状指標の計算例、(c) シリカのガラスと結晶（９種類）の形状指標の分布

【用語解説】

注1.　ガラス：
不規則な原子配置から構成される非晶質（アモルファス）の固体。ガラスの構造は、各原子の化学結合の数（配位数）や角度に分布があるが、完全に無秩序ではない。

注2.　結晶：
規則正しい原子配置から構成される固体。

詳細（プレスリリース本文）