物性研究所短期研究会

ガラス転移と周辺分野の科学

日時：2015 年 7 月 30 日(木)～2015 年 8 月 1 日(土)場所：物性研究所本館６階 大講義室(A632)

研究会提案代表者：山室 修（物性研）
共同提案者：小田垣 孝（東電大理工）、田中 肇（東大生産研）、宮崎 州正（名大院理）、深尾 浩次（立命大理工）、野嵜 龍介（北大院理）、猿山 靖夫（京工繊大）、山室 憲子（東電大理工）

ガラス転移は大きな構造変化を伴わず液体が固化する不思議な現象であり、古くから多くの研究者がその謎に挑戦してきた。未だその機構は解明されていないが、近年、いくつかの興味深い結果が報告されている。実験研究では、気相から蒸着して得られる超安定分子ガラス、制約空間・薄膜でのガラス転移、中距離秩序構造をもつイオン液体のガラス転移などが注目されている。また、水和蛋白質の動力学転移、スピングラス転移、粉体のジャミング転移、液体-液体転移などの関連した現象も活発に研究されている。理論研究では、エネルギーランドスケープ理論を一般化したランダム一次転移理論、ガラス転移と粉体のジャミング転移の統一的理解に向けた試み、液体の局所安定構造に着目した計算機シミュレーション、動的不均一を様々な形で表現した計算機シミュレーションなどが盛んである。ガラス転移とともにガラス研究の大問題であるボゾンピークについても、近年、音響モードの分散曲線との関連などについて明瞭なデータが 得られてきている。さらには、無機ガラスや高分子ガラスをベースにした新規材料開発、生体や食品の冷凍保存技術など、応用を視野に入れた研究も活発に行われている。
以上の様な状況において、広い意味でガラスおよびガラス転移の基礎を研究している実験、理論、計算機シミュレーションの研究者が一同に会し、現状を確認し合うとともに、将来の研究の方向について議論することは非常に有意義である。物性研究所では、国内最大規模のガラス関係の研究集会として、これまで 2002 年、2004 年、2006 年、2010 年と同様の研究会を開催してきた。今回、4 年半ぶりに行う本研究会では、これまでの参加者以外にも、新しい世代、新しい分野の研究者を加え、より包括的かつ将来に向けた議論を行うことを目的とした。
本研究会の特徴の一つは、講演者を招待講演者で固めるのではなく、世話人が推薦した一部の講演者を除き、大部分の講演者を一般募集することである。最終的に、口頭発表 32 件、ポスター発表 41 件が集まった。実験と理論の比率はほぼ半々である。参加者数は、初日 95 名(学内 18 名、学外 77 名)、2 日目 95 名(学内 12 名、学外 83 名)、3 日目 73 名(学内 9 名、学外 64 名)であった。ガラス転移は物性研にとってはあまり馴染みのないテーマであるため、学内からの参加者が少ないことは覚悟していたが、学外からの参加者は予想以上であり、これまでのガラスの研究会で最大規模となった。
ガラス分野の研究の活発さと本研究会への大きな期待が感じられた。
研究会初日は、所長挨拶と趣旨説明に引き続き、ガラス・液体の基本的な実験のセッションから始まった。分子ガラス(ファンデルワールスガラス)と酸化物ガラス(ネットワークガラス)の構造とエントロピーについての興味深い発表が行われた。中でも、低温蒸着法によって CO2 が初めてガラスになり、その構造が結晶に近いものであるという結果はインパクトがあった。引き続き、液体・ガラスの理論・計算機シミュレーションの発表が行われた。これらの研究の共通したキーワードは液体の“局所構造”であり、それらはボンド配向秩序度、正四面体配位度、コンタクトイオンペアのネットワーク形成度(イオン液体の場合)などで表現される。これらがガラス転移、結晶化、そしてガラス形成液体の最も重要なパラメータといわれる“フラジリティ”に与える影響が示された。初日の最後は高分子系の実験の発表が行われた。高分子は最も一般的なガラス形成物質である。温度変調誘電率の非線形成分から得られる“緩和時間の緩和時間”は新しい概30

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念であり、非常に興味深かった。それ以外に、高分子薄膜の誘電測定と高分子混合系(高分子ブレンド)の中性子小角散乱の研究が発表された。
2 日目の最初のセッションでは、液体—液体相転移(液液転移)の研究が発表された。もちろん液液転移はガラス転移とは異なるが、ガラス転移と同様に対称性の変化を伴わない状態変化という点で注目されている。液液転移の代表は低温・高圧下で存在するとされる高密度水—低密度水の転移であるが、通常の冷却では水は結晶化するため、混合系、水を細孔内に閉じ込めた系の研究がよく行われる。本セッションでは、グリセロール水溶液のラマン散乱の研究、シリカ細孔内のヒドロキシルアミン水溶液の熱測定の研究が紹介された。また、新しい系として、シリカ細孔内のシクロヘキサンの研究が発表された。いずれも未だ結論は出ていないが、今後の展開が期待される結果であった。続いて、液体・過冷却液体の計算機シミュレーションの研究が紹介された。ここでは、自由エネルギーランドスケープ理論による液体の結晶化、液体輸送という観点からのガラス転移の空間相関、動的協働促進理論による剛体球系の圧縮ガラス化について議論された。
午後の最初のセッションでは、液体・ガラスの誘電分光による研究が紹介された。誘電分光は mHz から THz まで十数桁の周波数範囲で測定できる最も広帯域の測定手法である。本セッションでは、水素結合性液体と有機液体の“ボゾンピーク”と呼ばれる THz 領域の振動励起に関する新しい結果が示された。また、様々な水溶液の誘電緩和の温度・周波数特性と前述の高密度水／低密度水を関連付ける試みが示された。2 日目の最後のセッションでは、ガラス転移とシアシックニングの理論についての発表が行われた。シアシックニングとは液体に強いせん断速度をかけたときに液体の粘性が増大する現象である。本セッションの最初の 2 つの講演では、粒子に働く慣性だけでなく粒子間摩擦を取り込むことにより、シックニングが急激に起こるメカニズムが明快に説明された。3 つ目の講演では、近年のガラス転移研究でよく用いられるレプリカ理論を、球形粒子液体からネットワーク性液体や剛体楕円体に拡張する試みが示された。理論で扱われる球形粒子と実験的にガラスになる異方的な分子液体とのギャップがガラス転移研究における大きな問題であったが、それを乗り越える第一歩として重要な研究である。
3 日目の最初はガラス転移・ジャミング転移の理論についてのセッションであった。ジャミングは粉体系の密度を高めたときに粘性率が転移点近傍で漸近的に発散する現象であり、ガラス転移との関連が注目されている。最初の講演では、ランダムピニング系のガラス転移が議論された。ランダムピニングとは自由度の一部を凍結(ピニング)することにより、通常は緩和時間増大のため到達できない理想ガラス転移を高温に引き上げる手法である。エントロピー零のガラス転移温度 TK と緩和時間が発散する動的ガラス転移温度 Td が一致するピニング密度が存在するなどの重要な結果が得られた。2番目の講演では、Liouville 方程式から出発して、ジャミング転移点での粘性率の発散が再現された。3 番目の講演では、ガラス転移・ジャミング転移の力学物性(シア応答)とスピングラスの磁場応答に類似の履歴現象が存在することが示された。固体物理系のガラス転移・相転移と題した 2 番目のセッションは、正に本研究会の広域性を示すものであった。前述
したランダム一次転移理論は平均場スピングラス模型から派生したものであるが、最初の講演では、平均場を越えたスピングラス模型(Potts 模型)において、ランダム一次転移理論と整合する結果が得られた。２番目の講演では、ある種の有機導体において、低温で電荷秩序を起こさず電荷が凍結する“電荷ガラス”というべき状態が出現することが示された。
3 番目の講演では、多孔質グラファイトに吸着したヘリウムの薄膜がガラス転移様の挙動を示すことが示された。研究会
最後のセッションでは、核共鳴Ｘ線散乱、μSR などの新しい手法を用いた高分子の緩和の研究、食品蛋白質の中性子散乱と計算機シミュレーションによる研究、上皮組織の恒常性を表現するダイナミクスモデルの研究(ガラス転移的な挙動が見られる)、1024 万粒子の巨大 3 次元系のガラス転移のシミュレーション研究が発表された。
初日と 2 日目の午後に行われたポスターセッションでは、口頭発表の内容に近いテーマから全く異なるテーマ(例えば磁性コロイドや水素吸蔵物質)まで、非常に幅広いテーマの発表が行われた。約 20 件の発表に対して 2 時間という余裕のあるプログラムであったため、口頭発表者を中心としたシニアの研究者と若手研究者の間で非常に密な議論が繰り広げられた。一つ問題があったとすれば、非常に暑い時期であったため、ポスター会場(6 階の渡廊下)が決して心地よい状態で無かったことである。酷暑の中でポスター発表をして頂いた方々には、お詫びするとともに、心から感謝したい。
以上のように、発表内容はガラス転移の基礎理論から生物系や強相関電子系の実験まで非常に多岐にわたっており、し■ ■■ ■ ■■ ■物性研だより第 55 巻第 3 号

31かも物性研内部の研究テーマからはかなり異なっていたにもかかわらず、全てのセッションで休憩時間がほとんど無くなるほど活発な討論が行われた。これは、発表者の方々が専門外の聴衆に配慮した話をされたこと、逆に聴衆の方々は初歩的な質問や全く異なる立場からの質問を遠慮無くして頂いたことによる。研究会の参加者全員に心から御礼申し上げる。
最後に、本ワークショップの企画・準備・開催・報告の各段階で、多くの物性研事務部および各研究室の方々にご協力いただいた。特に、旅費・宿泊の事務全般を一人で担当してくれた山室研秘書の羽部なおみさん、ホームページ・web 登録システムの管理をしてくれた山室研助教の古府麻衣子さん、当日の受付や要旨集の作成で力を貸してくれた中性子科学研究施設補佐員室の安保真理子氏さんと大串彩子さんに、この場を借りて感謝したい。
以下に研究会で撮った何枚かの写真とプログラムを掲載する。講演要旨集については、まだ残部がかなりあるので、提案代表者(yamamuro@issp.u-tokyo.ac.jp)にご連絡をいただければお送りしたい。

集合写真

講演会場

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懇親会

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7 月 30 日（木）10 : 00 ~（20-25 分講演 ＋ 5-10 分討論 ＝ 30 分／人）

10 : 00 ~ 10 : 15 所長挨拶（瀧川 仁）・趣旨説明（山室 修）【セッション 1】10 : 15 ~

ガラス・液体の構造とエントロピー

座長 深尾 浩次

1. 山室 修（東大物性研）

単純分子ガラスの構造と緩和

2. 小原 真司（物材機構）

ZrO2 融体の構造3. 高田 章（旭硝子）

主要な酸化物ガラスの構造シミュレーションとその課題

4. 梶原 行夫（広島大）

液体のエントロピーを測る

12 : 15 ~ 13 : 30

昼休み

【セッション 2】13 : 30 ~

液体・ガラスの理論・シミュレーション

座長 小田垣 孝

5. 田中 肇（東大生研）

液体の局所構造化のガラス転移・結晶化における役割

6. 金 鋼（新潟大）

四面体ネットワーク形成の制御がガラスのフラジリティを系統的に変化させる

7. 巾崎 潤子（東工大）

イオン液体の分子動力学－仮想ネットワークの形成とガラス転移－

15 : 00 ~ 17 : 00

コーヒーブレイク&ポスター発表１（奇数番号）【セッション 3】17 : 00 ~高分子系のガラス転移・ダイナミクス

座長 田中 肇8. 猿山 靖夫（京工繊大）

温度変調非線形誘電測定法による α 過程緩和時間の温度追随性

9. 深尾 浩次（立命大）

単層および積層高分子薄膜のガラス転移とダイナミクス

10. 小泉 智（茨城大）

ガラス転移温度が大きく異なる高分子ブレンドの濃度揺らぎ

18 : 45 ~ 20 : 45

懇親会

7 月 31 日（金）9 : 00 ~【セッション 4】9 : 00 ~ポリアモルフィズム・液液相転移

座長 山室 憲子

11. 鈴木 芳治（物材機構）

低濃度グリセロール水溶液ガラスのポリアモルフィック転移

12. 辰巳 創一（京工繊大）細孔内に封じ込められたシクロヘキサンにおける液体相の発見

13. 名越 篤史（阪大）

シリカ細孔内のヒドロキシルアミン水溶液の相挙動の温度・圧力依存性

10 : 30 ~ 10 : 50

コーヒーブレイク【セッション 5】10 : 50 ~

液体・過冷却液体の理論・シミュレーション

座長 池田 昌司

14. 小田垣 孝（東電大）

過冷却液体の結晶化

15. 古川 亮（東大生研）

過冷却液体の流体輸送解析

16. 礒部 雅晴（名工大）2 成分剛体球過圧縮液体に拡張された動的協働促進理論

12 : 20 ~ 13 : 30

昼休み

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【セッション 6】13 : 30 ~

液体・ガラスの誘電分光

座長 猿山 靖夫

17. 野嵜 龍介（北大）

水素結合性液体の誘電ボゾンピーク

18. 森 龍也（筑波大）

テラヘルツ時間領域分光による非晶質薬剤のボソンピークの検出

19. 佐々木 海渡（東海大）

水溶液中の水とアモルファス氷の誘電緩和

15 : 00〜17 : 00

コーヒーブレイク&ポスター発表２（偶数番号）【セッション 7】17 : 00 ~ガラス転移・シアシックニングの理論

座長 宮崎 州正20. 瀬戸 亮平（沖縄科技大）コロイド分散系のシアシックニング

21. 川﨑 猛史（名大）サスペンション系におけるシアシックニングのメカニズム：慣性および粒子間摩擦の影響

22. 池田 昌司（京大）

少し複雑な系のガラス転移：レプリカ理論によるアプローチ

8 月 1 日（土）9 : 00 ~【セッション 8】9 : 00 ~ガラス転移・ジャミング転移の理論

座長 瀬戸 亮平

23. 宮崎 州正（名大）ランダムピニング系のガラス転移

24. 早川 尚男（京大基研）

剪断粉体系でのジャミング転移近傍での粘性率の発散に関するミクロ理論

25. 吉野 元（阪大）

ガラス・ジャミング系における 1+連続レプリカ対称性の破れと力学物性

10 : 30 ~ 10 : 50

コーヒーブレイク【セッション 9】10 : 50 ~固体物理系のガラス転移・相転移

座長 早川 尚男

26. 福島 孝治（東大）

3 次元スピングラス模型におけるランダム一次転移27. 賀川 史敬（理研）

強相関電子系における電荷の結晶化と急冷によるガラス化

28. 簑口 友紀（東大）

グラファイト上ヘリウム結晶薄膜のガラス状態と超流動近接効果

12 : 20 ~ 13 : 30

昼休み

【セッション 10】13 : 30 ~ソフトマター・生物系のガラス転移・ダイナミクス

座長 野嵜 龍介

29. 金谷 利治（高エ機構）

共鳴 X 線散乱によるガラス形成高分子の動的転移

30. Lou Yuting（東大）

Glass Phenomena in a Multi-cell Receptor-Dynamics Model for Self-Organized
Epithelial Homeostasis

31. 中川 洋（原子力機構）

食品蛋白質の動力学転移と水分活性32. 芝 隼人（東大物性研）

構造ガラスにおける動的不均一性の次元依存性

15 : 30 ~ 15 : 40

クロージングポスター発表（奇数番号は 7 月 30 日(木)、偶数番号は 7 月 31 日(金)の 15:00〜17:00）
P1. 上田 仁彦（京大）

駆動されたブラウン粒子の軌道におけるレプリカ対称性の破れP2. 村中 正（愛知工大）

ガラス形成物質中の協同運動の伝搬速度

P3. 淡路 大輔（新潟大）

短距離古典 MD における高速化技法の再検討：近接リスト法・セル法・ハイブリッド法

P4. 樋口 沙希（新潟大）

Fermi-Jagla ポテンシャルにおける液液転移とダイナミクスの異常性

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P5. 水野 勇希（東大物性研）

蒸着法による単純分子ガラスの創成と構造研究

P6. 山口 毅（名大）プレピーク構造を持つ液体のダイナミクスに関する理論的研究

P7. 小林 美加（東大生研）

ガラスのエイジングキネティクス

P8. 西山 枝里（千葉工大）

アモルファススチレンオリゴマーにおける熱力学的フラジリティーの分子量依存P9. 横田 麻莉佳（千葉工大）

アモルファススチレンオリゴマー熱容量の低温における分子振動解析

P10. 東 信晃（阪大）

免疫グロブリン G-水系における水和水の低温熱物性

P11. 杉本 敏樹（京大）

Pt(111)表面に作成した強誘電アモルファス氷薄膜の誘電緩和と結晶転移

P12. 藤村 順（千葉工大）

断熱型熱量計によるアモルファススチレンオリゴマーのエンタルピー緩和

P13. 松尾 隆祐（阪大）

種々のゴムシートに関する力学熱量効果の測定と解析

P14. 吉内 友章（京工繊大）

電場周波数依存性による α 過程緩和時間の温度変調に対する追随性の研究

P15. 奥 祐樹（京工繊大）

polyacrylonitrile におけるガラス転移の緩和時間の温度変調に誘起された変化

P16. 谷口 菜摘（立命大）

非晶性ポリアミド薄膜の誘電緩和挙動

P17. 山本 詠士（慶応大）脂質膜表面での水分子の異常拡散およびエイジング

P18. 阿部 洋（防衛大）イオン液体の不規則性・不均一性・多形性

P19. 国府田 将太（筑波大）

コリン系イオン液体のフラジリティと低温凍結保護の可能性

P20. 橋本 侑亮（筑波大）

ガラス形成高分子のテラヘルツ時間領域分光・ラマン散乱分光

P21. 坂口 佳史（CROSS）

空間的束縛を受けた液体イオウ高分子の自己秩序化

P22. 水口 朋子（京工繊大）

細孔中のシクロヘキサンで観測される相転移現象のシミュレーション研究

P23. 服部 高典（原子力機構）

石英ガラスの室温高圧下、高温高圧下における構造変化

P24. 齋藤 真器名（京大炉）

o-terphenyl、glycerol のミクロな緩和時間の空間スケール・温度依存性

P25. 瀬戸 亮平（沖縄科技大）磁性コロイド単一層の結晶粒界

P26. 池田 晴國（名大）二成分系のガラス転移における転移点の分離

P27. 宮崎 涼二（名大）一般化 Hertzian 型相互作用系のガラス転移

P28. 髙田 智史（京大基研）

2 次元粉体の抵抗則

P29. 高江 恭平（東大生研）

配向自由度のある粒子系におけるガラス形成とその外場応答

P30. 新屋敷 直木（東海大）

部分的に氷結したゼラチン水溶液の α 緩和と不凍水量に関する誘電的研究

P31. 秋葉 宙（東大物性研）

パラジウム水素化物の熱容量とガラス転移 –水素拡散運動の凍結–

P32. 大友 季哉（KEK）

高強度中性子全散乱装置(NOVA)による非晶質・液体構造解析

P33. 古府 麻衣子（東大物性研） イオン液体の階層的・ガラスダイナミクス
P34. 原田 国明（京大）

アモルファス氷薄膜の結晶化に対する Pt(111)基板の影響

P35. A. V. Gubarevich（東工大） Effect of NaCl concentration on the structure of water studied by moleculardynamics simulation
P36. 田邊 章洋（広大）DEM を用いた 3 次元粉体層内部の応力伝播過程の研究P37. 客野 遥（神奈川大）

カーボンナノチューブに内包された水の挙動

P38. 高塚 将伸（東海大）

誘電分光法による Poly(vinyl methyl ether)水溶液の水と溶質のガラス転移

P39. 萬代 健太（東海大）

広帯域誘電分光法による 1-プロパノール-水系のガラス転移

P40. 柴田 薫（原子力機構）

背面反射型 TOF 分光器(DNA)High-Q Si311 アナライザーによる 1/1 近似結晶 Zn6Sc
中の正四面体 Zn4 クラスターの動的転移

P41. 野村 肇宏（東大物性研）■ ■■ ■ ■■ ■液体酸素の磁場誘起液-液相転移の可能性

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