ゴムの挙動を示す酸化物ガラス

石英ガラスの低コスト製造法を開発

東京工業大学・旭硝子共同研究講座の稲葉誠

九州大学産学連携センターの藤野 茂教授の量子スピン液体と常磁性状態の間に現れる有限温度相転移

二助教（現旭硝子中央研究所），伊藤節郎特任研究グループは大気中，1100 ℃で焼成するこ

教授（元旭硝子），応用セラミックス研究所細とにより，可視光域で 90% の光透過性を示す

野秀雄教授らのグループは，ゴムのように伸び石英ガラス焼結体を開発した．

人類最古の磁石である磁鉄鉱の発見から始ま縮みするエントロピー弾性を示す酸化物ガラス

石英ガラスは低膨張性，耐熱性，耐薬品性，る磁性体の歴史において，これまで主として強磁の作製に成功した．エントロピー弾性とは，応絶縁性，紫外線～近赤外線での高透過率等の物性体が注目され，その研究が現代のエレクトロニ力下で変形を受けた物質がエントロピー増大則性に優れているため，理化学用，光学部品，電クスを支える基盤のひとつとなってきた．よく知により元の形状に戻る性質であり，ゴム弾性が子材料基板，医療分野等さまざまな用途展開がられているように，強磁性体を熱するとある温度その典型的な例である．

見込まれる素材である．その製造方法等は産業を境に磁化が消失し常磁性となる．このように温ゴムは，柔軟な長い鎖状分子が無秩序に絡み的に確立されているものの，所望の形状に成形度変化に伴って磁性体の性質が変化することは，合い，しかもその鎖状分子間が適度に架橋した加工するには，多量の熱エネルギーと複雑な加物質が固体，液体，気体の間で姿を変えることに構造を持つ．それゆえ，ガラス転移点（Tg）工技術が必要である事などの問題点を抱えてお類似している．すなわち，磁性体中の電子がもつ近傍の温度域で引き伸ばすと，鎖状分子が応力り，低コスト製造法の開発が望まれている．

スピンの向きが整列している状態である強磁性の方向に配向し，応力を除くと，吸熱しながら状態は「固体」，それらがバラバラな方向を向い元の無秩序状態に戻り収縮する．酸化物ガラス機，乾燥機，一般的な焼成炉のみで製造でた常磁性状態が「気体」に対応する．

今回，開発した手法はガラスビーカーと撹拌は，通常，強固な網目構造から成り，Tg 近傍きるプロセスであり，特別な製造装置を必要と1973 年 に ノ ー ベ ル 賞 物 理 学 者 の P. W.

で引き伸ばすと網目の切断や組換えによる永久しない．具体的には，シリカナノ粒子とポリビ

Anderson は，スピンが互いに強く影響し合い変形が生じるため，これまでエントロピー弾性ニルアルコール（PVA）水溶液を分散させたながらも量子力学的な効果でそれらの方向が定を示すことは知られていなかった．

溶液を用いて，石英ガラスの前駆体である塊状まらない「ドロドロ」した状態として量子スピ研究グループは，有機ゴムの構造を参考に，80SiO2-20PVA（重量比）メソポーラス素材をン液体という概念を提唱した．この磁性体の「液-P-O-P- 直鎖構造を持つ混合アルカリメタリン開発した．pH を 2 ～ 3 に調整した分散溶液を，体」に対応する新しい概念は，多くの物理学者

酸塩ガラス（Li0.25Na0.25K0.25Cs0.25PO3）を作製し所望の鋳型に流し出し，大気中，乾燥工程を得の興味を引き，現在もなお精力的な研究対象とた．このガラスは，Tg 近傍の温度で引き伸ばて，き裂が生じない塊状メソポーラス成形体をなり続けている．特に実験研究においては，気し応力を掛けたまま冷却すると，-P-O-P- 直鎖作製することが可能となった．シリカナノ粒子

体と液体が相転移なしに移り変われることの類が配向し大きな異方性を示す．この異方性ガラは pH=3 近傍にゼータ電位がゼロとなる等電点推として，高温の常磁性状態から極低温まで冷スは，再度 Tg 付近の温度に加熱すると，吸熱が存在し，粒子表面に存在するシラノール基却しても相転移の兆候がないことを量子スピンを伴って等方性ガラスに戻りながら収縮する．

(SiOH) を介したシリカナノ粒子間の凝集や，液体の証拠として，量子スピン液体の発現可能

その収縮量は異方性が大きいほど大きい．また，

PVA 分子中の OH 基との水素結合による粒子性が論じられている．一方で，有限温度におけTg よりやや高い温度で数十 % 引き伸ばした後，表面への PVA の吸着が起こりやすくなる．こる量子スピン液体の理論研究は，計算の困難さ

その温度で応力を除去すると，伸びた長さの半の特性を利用し，シリカナノ粒子の凝集サイズからほとんどなされてこなかった．

分程度まで収縮する．このガラスが，このようを数百 nm 程度に均一に揃え，溶媒蒸発を伴う

東京工業大学大学院理工学研究科の那須譲治

なゴムと類似の収縮挙動を示すのは，アルカリ乾燥工程を制御することで，機械的強度に優れ助教，東京大学大学院工学系研究科の宇田川将

種の適度な量と配分により -P-O-P- 直鎖の重合た塊状メソポーラス材料を作製することができ

文助教，求幸年准教授らは，量子スピン液体の度や柔軟性を高め，しかも直鎖間の結合が最もた（物性の一例

有限温度の性質の解明を目的に，ある種のイリ強い Li イオンを架橋点とする構造設計により，細孔容積：1.1 cm3/g， 比表面積：180 cm2/g，ジウム化合物やルテニウム化合物の磁性を記述

エントロピー弾性を発現することができたため

空隙率：65 %，屈折率：1.175）．

するキタエフ模型と呼ばれる理論模型に対しと考えられている．組成と構造の更なる工夫に得られたメソポーラス体を大気中，1100°Cて，新しいシミュレーション方法を開発した．

より，ゴム状ガラスの科学と応用の発展が期待

で焼成を行うことによって透明石英ガラス焼結

それを用いた大規模な数値計算により，高温のされる．詳細は Nature Materials, 14, 312-317

体を得た．さらに，焼成前のメソポーラス細孔常磁性状態と低温の量子スピン液体との間に，(2015). 参照．（東京工業大学 元特任教授 伊藤内のシリカ表面に金属イオンを吸着させること

従来の相転移理論では説明できない新しいタイ節郎

連 絡 先：E-mail：qqrg5h7d@theia.ocn.

も可能であり，焼成後，石英ガラス中へさまざプの相転移が有限温度で存在することを発見しne.jp）URL：http://www.titech.ac.jp/

まなイオンや金属ナノ粒子をドープすることがた．この結果は，相転移の不在をもって量子ス

news/2014/12

できる．市販されている合成石英ガラスと比較

ピン液体の証拠とする従来の見方に一石を投じるものである．また，量子スピン液体は次世代［2015 年 3 月 24 日］

平均細孔直径：約 20nm，全すると，光透過率は数 % 低下するものの，鋳込み成形ができることで，複雑形状を有する機の量子コンピュータへの応用といった観点でも能性石英ガラス部材への応用が期待される．

注目されているため，本研究で明らかにした熱（九州大学産学連携センター

揺らぎの効果は量子情報といった分野への波及

連絡先：〒 816-8580

効果も期待できる．

6-1

この研究は，文部科学省の科学研究費補助金の教授

藤野 茂

福岡県春日市春日公園

E-mail : fujino@astec.kyushu-u.ac.jp）［2015 年 3 月 25 日］

助成により執り行われ，数値計算は物性研究所所有のスーパーコンピュータを用いて行われた．
（東京工業大学大学院理工学研究科
東京大学大学院工学系研究科
幸年

那須譲治，

宇田川将文，求連絡先：〒 152-8551 東京都目黒区大岡山 2-12-1，E-mail：nasu@phys.titech.ac.jp）
URL：http://www.motome-lab.t.u-tokyo.ac.jp/［2015 年 3 月 20 日］

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セラミックス 50（2015）No. 5