アモルファス材料に潜む構造欠陥を解明~機械的異方性の起源を粒子構造から明らかに~

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2025-06-19 東京大学

東京大学と中国・松山湖材料実験室の研究チームは、アモルファス材料(例:ガラス)に潜む構造欠陥を初めて粒子レベルで特定し、それが機械的異方性の起源であることを明らかにした。低周波振動「準局在モード」の中心には常に4粒子が正方形に並ぶ「中心的な四角構造」が存在し、この欠陥がガラスの方向依存性や強度に大きく影響している。この発見により、ナノ材料の強化設計への新たな指針が示された。

アモルファス材料に潜む構造欠陥を解明~機械的異方性の起源を粒子構造から明らかに~
2次元アモルファス固体の4粒子からなる欠陥の中心的な四角構造(左)とその振動モード(右)。

<関連情報>

ガラス中の隠れた粒子レベルの欠陥の解明 Unveiling hidden particle-level defects in glasses

Yuan-Chao Hu & Hajime Tanaka
Nature Communications  Published:17 June 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-60781-7

Abstract

In crystals, defects are well-defined and crucial to their mechanical properties. In contrast, the structural disorder in glasses makes it challenging to directly identify defects at the particle level. However, low-frequency quasi-localised modes (QLMs) in glasses provide valuable insights, acting as mechanical defects associated with shear transformation zones and soft spots. Using molecular dynamics simulations of two-dimensional glasses, we identify a particle-level defect responsible for generating QLMs. The primary QLM originates from a “key-core” square of four particles vibrating in a two-in, two-out pattern, interpretable as a microscopic Eshelby inclusion. The motion of these particles induces nearby volumetric and far-field shear deformations, forming a characteristic four-leaf pattern. Despite the structural isotropy of the glass, these QLMs introduce notable mechanical anisotropy, particularly in nano-sized glasses. Crucially, pinning the key-core particles dramatically reduces shear modulus anisotropy, confirming their role as “localised particle-level defects.” This discovery deepens our understanding of glass defects and offers valuable insights for nanoscale glass applications.

0703金属材料
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