ガラスになる液体には秩序が必要であることが明らかに

　高輝度光科学研究センターや東京大学などによる研究グループは、液体がガラスになるためには原子配列と電子状態の秩序が必要であることが明らかにした。

　物質を高温にして液体にした後、急冷するとガラスになることが知られているが、どんな物質でも液体を急冷すればガラスになるわけではなく、ガラスになる物質とならない物質では、原子配列に違いがあると考えられてきた。しかし、液体は原子配列が乱れているため、ガラスになる物質とならない物質で、液体を原子・電子レベルで比較するのは困難であった。

　今回の研究では、ガラスにならない物質の一つである二酸化ジルコニウム(ZrO2)の構造解析を行った。ZrO2の融点は2715℃とかなり高いため一般的な方法では融解するのは難しいとされて来たが、SPring-8の高エネルギーX線回折ビームラインに無容器ガス浮遊法を組み込んだ実験装置を開発することで、非常に精度の高いZrO2液体の回折データを取得することに成功した。

　さらに、このデータを元にスーパーコンピュータを用いて大規模第一原理分子動力学計算を行ったところ、ZrO2液体にはガラスになる液体に共通する特徴的なピークが現れないことや、主要な構造ユニットがZrO5・ZrO6・ZrO7多面体など何種類もあり、これらの電子が構造ユニット内に拘束されず動きやすい状態にあること、そして構造ユニットの寿命が僅か200フェムト秒程度であることが分かった。これによって、「ガラスにならない液体」がガラスにならないのは、秩序を失った「極めて壊れやすい液体」となっているためであり、逆にガラスになる液体には秩序が必要であると結論づけた。

　研究グループは、今回の発見が液体の原子・電子構造とガラスのなりやすさとの関係を結びつけたもので、ガラスの構造科学の大きな謎のひとつを解決するとしている。

　今後は、本研究成果が超高屈折率ガラスや新規セラミックスのような革新的材料の開発に繋がると期待されている。

　なお、この内容は12月18日の「Nature Communications」に掲載された。