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プレスリリース
【記者発表】ガラス形成物質のダイナミクスは液体の構造が決めている

○発表者
田中 肇(東京大学 生産技術研究所 教授)

○発表のポイント
◆ガラス転移点の近くでは高い温度での状態に比べ、10桁以上も粘性が増加し流れにくくなることが知られている。しかし、ガラスを形成する物質の構造には規則性がなく、構造の変化がダイナミクスを遅くするのか、あるいは、単純に粒子が込み合う結果遅くなるのかといった基本的な問いを含め、その要因は長年不明だった。
◆今回、液体構造から各粒子の周りでパッキングをどこまで上げられるかの度合いを抽出し、それを空間的にぼかし(粗視化し)、粒子の動きやすさとの相関を見るという全く新しい方法により、ダイナミクスを遅くする液体中の構造をあぶりだすことに成功した。
◆液体中の構造が液体の動的な性質を決めていることを明らかにした点が、この発見の最大のインパクトである。本研究成果は今後、ガラス転移点近傍の遅いダイナミクスの起源の解明に大きく貢献すると期待される。

○発表概要
東京大学 生産技術研究所の田中 肇 教授、トン・フア(Tong Hua)特任研究員の研究グループは、ガラス転移点の近くで、液体の粒子の動きが急激に遅くなり、粘性が何桁にもわたって増大して流れにくくなる起源を探るべく研究を行った。この問題は、凝縮系物理学における最大の難問の1つとして知られ、その起源についてさまざまな説が提案され、長年論争が続いてきた。論争に決着がつかない理由は、粘性が何桁にもわたって増大している間、液体の構造は乱雑なままで、その構造はほぼ変化していないように見える点にある。ガラス転移は、「液体から固体になる」という意味では、不規則な構造から一気に規則的な構造に変化する結晶化と似た現象ではあるものの、構造的な変化では大きく異なっている。
同研究グループは、乱雑な液体構造の中に隠された、遅いダイナミクスの起源となる特殊な構造的特徴を捉えるため、新たな方法を考案した。まず、その構造を特徴づけるため「局所的なパッキング能が高い粒子配置が最も安定的で粒子が動きにくいはずである」との考えに基づき、それを定量化した。さらに、この構造がダイナミクスを支配する方法は、ある粒子の周りの構造が直接その場所の粒子の動きやすさを決定しているわけではなく、ある特徴的な長さスケールでの構造の平均が、その領域での粒子の動きやすさを決定していること発見した。このように、液体の静的な構造が液体を構成する粒子の動きやすさを支配しているということは、液体状態からガラス状態への転移が、粒子が込み合って遅くなるといったような現象ではなく、何らかの動きにくい粒子配置(構造)の発達をともなう熱力学的な現象であることを強く示唆している。また、上記の構造的特徴は、従来の液体論で用いられてきた二粒子間の距離の情報(二体相関)では、記述不可能な複数粒子の配置の関係性(多体相関)を反映しており、過冷却液体の理解には、従来の液体論の枠を超え、多体相関を考慮することが重要であることを示唆している。本研究成果は、長年の謎であったガラス転移起源の解明に大きな進展を与えることが期待される。
本研究成果は2018年3月14日(米国時間)に米国物理学会誌「Physical Review X」のオンライン速報版で公開された。

○発表内容
東京大学 生産技術研究所の田中 肇 教授、トン・フア(Tong Hua)特任研究員の研究グループは、ガラス転移点(近傍)で液体のダイナミクスが急激に減速し、粘性が何桁にもわたって増大する現象の起源を探るべく研究を行った。一般的に液体を冷やしていくと、冷却速度が充分遅ければ結晶に、充分速ければガラスになり固化する。ガラスになりやすい物質を冷やしてガラス転移点に近づけると、そのダイナミクスは劇的に遅くなり、それに伴い高温でサラサラだった液体は低温ではドロドロの液体に変化する。このことは、硝子細工の原理になっている。人類はガラス状態を何千年にもわたり使用してきた。しかし、ガラスの転移点近くでのダイナミクスの劇的な減速の要因はいまだ解明されていない。その最大の謎は、粘性が増大しているのにも関わらず、その間、液体の構造はほとんど変化しないように見えるという点にあった。これは、同じように液体から固体になる現象でありながらも一気に規則的な構造に変化する結晶化の場合とは大きく異なっている。この問題は、凝縮系物理学の最大の難問の1つとして知られ、その要因についてはさまざまな説が提案され、長年の間論争が続いてきた。
同研究グループは、粒子間の相互作用が粒子間の距離だけに依存するタイプの単純な液体に注目し、中心の粒子から見たときの周りを取り囲む隣の粒子の並び方に注目し、その中心から見た粒子の方向を保ったまま中心粒子に近づけることで、どこまでパッキングを上げることができるかを定量化し、それにより液体の構造を特徴づけた。さらに、ある場所の構造が直接その場所の粒子の動きやすさを決定しているわけではなく、ある特徴的な長さスケールの構造の平均が、その領域の粒子の動きやすさを決定していることを発見した。その結果、その特徴的な長さが、ガラス転移点に近づくにつれて、指数則に従って発散的に長くなること、それに伴い、ダイナミクスが遅くなるが、その理由が、粒子の運動には、特徴的な長さの構造を構成する粒子数に比例した障壁を越えなくてはならないためであることを明らかにした。さらに、上記の構造的特徴は、粒子が周りを囲まれたかごの中で高速で揺れる速い運動を直接支配していることも明らかになった。このことは、ガラス形成液体の粒子が示す、その場での速い振動的な運動、ゆっくりとした移動を伴う運動が、ともに同じ構造に支配されていること、つまり、この2つの運動様式が実は独立しておらず、構造を通して相互に密接に関係していることを示している。
ガラス転移にかかわる2種類の運動が、ともに液体の構造に支配されているという今回の発見は、ガラス転移が純粋に動的な現象ではなく、液体の構造化に起因した熱力学的な現象であることを強く示唆している。また、上記のような構造的特徴は、従来の液体論で用いられてきた二粒子間の距離の情報(二体相関)では記述不可能な複数粒子の配置の仕方(多体相関)を反映している。したがって、過冷却液体の理解には、従来の液体論の枠を超え、多体相関を考慮することが重要であることが示唆された。本研究の成果は、長年にわたり謎とされてきたガラス転移の起源解明に大きく貢献することが期待される。

○発表雑誌
雑誌名:「Physical Review X」(オンライン版:米国時間3月14日(水)掲載)
論文タイトル:Revealing hidden structural order controlling both fast and slow glassy dynamics in supercooled liquids
著者:Hua Tong and Hajime Tanaka
DOI番号:10.1103/PhysRevX.8.011041

○問い合わせ先
東京大学 生産技術研究所 
教授 田中 肇(たなか はじめ)
Tel:03-5452-6125 Fax:03-5452-6126
研究室URL:http://tanakalab.iis.u-tokyo.ac.jp/Top_J.html

資料

図1 液体の中に隠れた遅いダイナミクスを引き起こす構造。赤い領域がパッキング能の高い領域。 図1:液体の中に隠れた遅いダイナミクスを引き起こす構造。赤い領域がパッキング能の高い領域。
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