2020 年 12 ⽉ 25 ⽇

世界⼀構造秩序のあるガラスの合成と構造解析に成功―ガラスの⼀⾒無秩序な構造の中に潜む秩序を抽出―
概要
京都⼤学、国⽴研究開発法⼈物質・材料研究機構、バース⼤学、早稲⽥⼤学、東京⼯業⼤学、岐⾩⼤学、弘前⼤学、東京⼤学、琉球⼤学、ラウエ・ランジュヴァン研究所、筑波⼤学、オークリッジ国⽴研究所、ラザフォードアップルトン研究所、理化学研究所、ノルウェー科学技術⼤学、産業技術総合研究所、⽴命館⼤学、⾼輝度光科学研究センターからなる国際共同研究チームは、世界⼀構造秩序のある永久⾼密度シリカ（SiO2）ガラスの合成に成功し、その構造を⼤型放射光施設 SPring-8＊1 をはじめとする量⼦ビーム施設を横断的に利⽤して明らかにしました。また、ガラスの原⼦の動き⽅が密度だけではなく構造にも⼤きく影響されることを発⾒しました。そして、パーシステントホモロジー＊2 をはじめとするトポロジカル解析により、その構造秩序は、ガラスに存在する原⼦のつながったリングの形が圧⼒と温度により変形しつつ形成されることによることをつきとめました。本研究により、ガラスを作る圧⼒と温度を精密に制御すればガラスの構造を⾃在に操れることが⽰され、⾼屈折ガラスや⾼強度ガラス、⾼性能光ファイバーの合成に新たな道を切り拓きました。
本研究成果は、2020 年 12 ⽉ 23 ⽇に国際学術誌「NPG Asia Materials」誌のオンライン版に掲載されました。

１．背景
ガラスは古くから⼈類によって作られ、利⽤され続けている機能材料の⼀つで、我々の⽣活に⽋かせないものです。ガラスは原料を加熱して得た液体を急速に冷却（急冷）することで得られます。物質は加熱されて液体になった時、その構造は結晶のように規則正しく配列していないことが知られていますが、ガラスは液体の構造をそのまま凍結した固体であるため、原⼦配列の規則性を失っています。そして、ガラスは作製時の急冷速度やその後の処理温度、圧⼒の印加によって原⼦配列の変化に伴った機能の修飾が可能です。
ガラスを加熱すると結晶化しますが、この結晶化を抑制しつつ⾼い構造秩序を有したガラスを合成することは、材料開発の新しい基軸となると考えられてきました。しかし、ガラスの乱れた構造を定量的に評価することはこれまで⾮常に困難であり、それゆえ、その構造制御による新規材料開発は結晶材料と⽐べて著しく⽴ち遅れておりました。
２．研究⼿法・成果
今回、研究グループは⼤型放射光施設 SPring-8 の BL04B2 および海外の中性⼦施設を横断的に利⽤した量⼦ビーム実験＊3 から、1200 ℃かつ 7.7 GPa（約 7.7 万気圧）において温度と圧⼒を精密に制御して合成したシリカ（SiO2）ガラス（図 1）に、現在までに報告されているガラスの中で最も間隔が揃った原⼦配列、すなわち世界⼀の構造秩序があることを発⾒しました。さらに、室温で圧⼒のみを印加して同じ密度のガラスを作ったところ、この低温圧縮ガラスには構造秩序がないことも確認しました（図 2）。また、中性⼦⾮弾性散乱*4と⽐熱測定*5 によって 2 つのガラスの原⼦の動きを測定したところ、ガラス特有の低エネルギー励起とされるボゾンピーク*6 が構造秩序によって⼤きく影響を受け、ボゾンピークが密度だけではなく構造によっても変化することを明らかにしました（図 3）。
さらに、実験データに基づいた計算機シミュレーションと、先端数学のトポロジーを応⽤したパーシステントホモロジーの連携によって、世界⼀構造秩序のある SiO2 ガラスが形成するリング構造は、室温での圧縮で得られた同じ密度を持つ SiO2 ガラスと⽐べてより変形しているものの、Si 原⼦同⼠がより規則正しく並んでいることが明らかになり、これが世界⼀の構造秩序の理由であることが分かりました（図 4）。本研究で開発した解析⼿法によって、ガラスのような⼀⾒無秩序に⾒える構造の中に潜んだ秩序を⾒出すことが、初めて可能となりました。

図 1 世界⼀構造秩序のあるガラス（右）と通常のガラス（左）図 2 世界⼀構造秩序のあるガラスおよび同じ組成、密度の室温で合成したガラスの X 線回折パターン

図 3 世界⼀構造秩序のあるガラスおよび同じ組成、密度の室温で合成したガラスの中性⼦⾮弾性散乱スペクトル

図 4 ⾼温･⾼圧下におけるガラスの秩序化のスキーム

３．波及効果、今後の予定
本研究によって得られた知⾒により、温度と圧⼒を駆使した構造制御によるガラスやガラスセラミックスを創製できる道が切り拓かれたと⾔えます。新規⾼屈折率ガラスや⾼強度ガラス、⾼性能光ファイバーの合成への応⽤が期待されます。
４．研究プロジェクトについて
本成果の⼀部は、科学技術振興機構（JST）イノベーションハブ構築⽀援事業「情報統合型物質・材料開発イニシアティブ(MI2I)」、JST 戦略的創造研究推進事業 さきがけ「理論・実験・計算科学とデータ科学が連携・融合した先進的マテリアルズインフォマティクスのための基盤技術の構築」（JPMJPR15N4、JPMPR15ND、JPMJPR16N6）、JST 戦略的創造研究推進事業 CREST「現代の数理科学と連携するモデリング⼿法の構築」（JPMJCR15D3）、JSPS 科研費学術変⾰領域研究(A)20H05878、20H05880、20H05881、20H05884、基盤(B)17H03121、20H04241、TIA 連携プログラム探索推進事業「かけはし」の⽀援を受けて⾏われました。
＜⽤語解説＞※1：⼤型放射光施設 SPring-8
兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最⾼性能の放射光を⽣み出す理化学研究所の施設で、⾼輝度光科学研究センターが利⽤者⽀援等を⾏なっています。SPring-8 の名前は Super Photon ring-8 GeV（ギガ電⼦ボルト）に由来します。放射光とは、電⼦を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁⽯によって進⾏⽅向を曲げた時に発⽣する、細く強⼒な電磁波のことです。SPring-8 では、この放射光を⽤いて、ナノテクノロジー、バイオテクノロジーや産業利⽤まで幅広い研究が⾏われています。
※2：パーシステントホモロジー
データの幾何的情報を定量的に特徴付けることのできる、トポロジー（位相幾何学）という数学分野の理論を応⽤した⼿法です。
※3：量⼦ビーム実験
X 線（電磁波）、中性⼦、電⼦などの量⼦性を持つ波や粒⼦の集団が同じ⽅向に向かうビーム状の流れを量⼦ビームといい、それらを⽤いた実験のことを指します。本研究では、放射光 X 線と中性⼦を⽤いた回折実験を実施しました。回折とは、物質に X 線（または中性⼦）が⼊射したとき、⼊射した⽅向とは違ったいくつかの特定の⽅向に強い X 線（中性⼦）が進む現象です。原⼦がある規則に従って配列した集合体、すなわち物質に X 線（中性⼦）を⼊射すると、それぞれの原⼦によって散乱された X 線（中性⼦）が⼲渉しあい、特定の⽅向にだけ強い回折波が進⾏します。この回折波を観測することで、物質中の原⼦の配列を解析することが可能となります。X 線は原⼦内の電⼦で散乱され、中性⼦は原⼦核で散乱されることから、原⼦によるそれぞれの散乱能は異なります。SiO2 ガラスの場合は、X 線回折は Si に、中性⼦回折は O に敏感であることから、両者の併⽤は乱れたガラス構造を決定する上で⾮常に有効です。
※4：中性⼦⾮弾性散乱
中性⼦ビームを物質に⼊射したときに、⼊射した中性⼦が物質中の原⼦とエネルギーの授受を⾏い散乱される現象を⾮弾性散乱と⾔います。原⼦が中性⼦とエネルギーのやりとりを⾏った際には何らかの原⼦の動きを伴います。中性⼦のエネルギーを精密に制御して物質に⼊射し、散乱されてくる中性⼦のエネルギーを測定することで、中性⼦と物質中の原⼦との間にどの程度エネルギーのやりとりがあったか、すなわち原⼦がどのように動いたのかを調べることが可能となります。このような量⼦ビーム実験を中性⼦⾮弾性散乱実験と⾔います。尚、前述の回折では原⼦と中性⼦の間にエネルギーの授受がない弾性散乱を取り扱っています。
※5：⽐熱測定
⽐熱とは 1g の物質の温度を 1 度上げるために必要な熱量のことを指します。⽐熱は圧⼒⼀定と体積⼀定のどちらの条件で測定するかで⼤別され、本研究では圧⼒⼀定下での定圧⽐熱容量を測定しました。熱物性である⽐熱はガラスの中の原⼦の動きと関連すると考えられており、低い温度領域の⽐熱データにも過剰⽐熱（通常の⽐熱―温度曲線から逸脱するデータ）としてブロードなピーク（後述のボゾンピーク）が観測されます。
※6：ボゾンピーク
ガラスの中性⼦・X 線⾮弾性散乱の低エネルギー領域において観測されるブロードなピークで、低温での⽐熱測定でも観測されることが知られています。ガラス中の原⼦の運動に関連するとされているものの、その起源は固体物理の未解決問題の⼀つに数えられています。
＜研究者のコメント＞
乱れた原⼦配列を持つガラスの構造研究はこれまで⾮常に挑戦的な研究とされてきましたが、国内外の多くの研究者のご協⼒の元、実験と計算、そして最先端のトポロジカル解析を総動員することによって、今回、世界⼀秩序のあるシリカガラスの構造を明らかにできました。本研究を通して学んだ多くのことを活かせるよう今後も⾃⼰研鑽に励み、たくさんの⼈の役に⽴つ材料開発に繋がるより良い研究を展開していきたいと思います。
＜論⽂タイトルと著者＞
タイトル：Structure and properties of densified silica glass: Characterizing the order within disorder（⾼密度化シリカガラスの構造と物性：無秩序の中の秩序の解明）
著

者：⼩野寺陽平、⼩原真司、Philip S. Salmon、平⽥秋彦、⻄⼭宣正、気⾕卓、Anita Zeidler、志賀元紀、増野敦信、井上博之、⽥原周太、Annalisa Polidori、Henry E. Fischer、森⿓也、⼩島誠治、川路均、Alexander I. Kolesnikov、Matthew B. Stone、Matthew G. Tucker、Marshall T.
McDonnell、Alex C. Hannon、平岡裕章、⼤林⼀平、中村壮伸、Jaako Akola、藤井康裕、尾原幸治、⾕⼝尚、坂⽥修⾝
掲 載 誌：NPG Asia Materials DOI：https://doi.org/10.1038/s41427-020-00262-z＜お問い合わせ先＞＜研究に関するお問い合わせ＞⼩野寺 陽平（おのでら ようへい）
京都⼤学 複合原⼦⼒科学研究所 助教
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