○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：
◆ガラス転移点付近の低温の液体は、高温の状態に比べ液体を構成する粒子の動き（ダイナミクス）が急激に遅くなり、粘性が何桁にもわたって増大することが知られている。今回、その原因が、液体中に形成されパッキング能の高い構造（注１）の発達にあることを見出した。
◆温度低下とともに液体中に形成されるパッキング能の高い構造の度合いにより、さまざまなガラス形成物質のダイナミクスを統一的に記述することに成功した。ガラス形成物質の乱れた構造の中に隠れている液体のダイナミクスを支配する構造的特徴を明らかにした点に新奇性がある。
◆この成果は、長年の未解明問題であったガラス形成物質の遅いダイナミクスの起源が、球状粒子からなる系については、熱揺らぎ（注２）の下で形成される局所的なパッキング能の高い構造（多体相関）にあることを明らかにした点に、最大のインパクトがある。今後ガラス転移点近傍の遅いダイナミクス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、ガラス転移点近傍で液体のダイナミクスが急激に遅くなり、粘性が何桁にもわたって増大する現象の物理的起源を探るべく研究を行った。この問題は、凝縮系物理学の最大の難問の一つとして知られ、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。その最大の謎は、粘性の何桁にもわたる増大にも関わらず、Ｘ線散乱などの一般的な構造解析で液体の構造を見ると、そ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る。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、乱雑な構造から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る。
同研究グループは、乱雑な液体の構造の中に潜む、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に新たな方法を考案した。まず、その構造を特徴づけるために、同グループが過去に導入した「局所的なパッキング能が高い粒子配置構造」に熱揺らぎの効果を取り入れた量Ｘが、ダイナミクスを制御する温度や圧力と比例関係にあることを見出した。さらに、その量Ｘにより、球対称のポテンシャル（注３）で相互作用するさまざまな２次元、３次元液体のダイナミクスを、系によらず統一的に記述できることを発見した。
このように液体の静的な構造がダイナミクスを支配しているということは、ガラス転移は、純粋に動的な現象ではなく、熱力学的な因子が液体のダイナミクスの重要な支配因子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）では記述不可能な多粒子間の相関（多体的相関）を反映しており、過冷却液体の理解には、従来の液体に関する理論の枠を超え、多体相関を考慮することが重要であることを強く示唆している。本研究の成果は、長年の謎であったガラス転移の起源の解明に大きなインパクトを与えるものと期待される。
本成果は２０１９年１２月６日（イギリス時間）に「Nature Communications」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物理的起源を探るべく研究を行った。ガラスになりやすい物質の液体を冷やしてガラス転移点に近づくと、そのダイナミクスは急激に遅くなり、それに伴い高温でサラサラだった液体は低温ではどろどろの液体になる。これは、我々がガラス細工などで日常的に経験する現象で、この特徴のおかげで、ガラスになりやすい物質は成型加工性がいいことは広く知られている。人類はガラス状態を何千年にもわたり使用してきたが、ガラス転移点近傍でのダイナミクスの急激な減速の起源はいまだに未解明のままである。その最大の謎は、粘性の何桁にもわたる増大にも関わらず、その間、液体の構造は乱雑なままで、Ｘ線構造解析によると、その構造は一見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、乱雑な構造から規則的な周期構造に突然変化する結晶化の場合とは大きく異なる。この問題は、凝縮系物理学の最大の難問の一つとして知られ、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。
同研究グループは、粒子間の相互作用が中心間の距離だけに依存する２次元、３次元の１６種類のガラス形成液体について研究を行い、中心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、パッキング能の度合いを熱揺らぎの下で測定し、それを液体における構造化を特徴づける構造秩序変数Ｘとして定義した。そして、この量Ｘが、温度や圧力といった、液体のダイナミクスを制御する物理変数と単純な比例的関係にあることを見出した。さらに、この量Ｘとダイナミクスを特徴づける特徴的時間の関係を調べたところ、上述の１６種類の液体についてその種類によらず、両者の間に普遍的な関係があることが明らかになった。
球対称ポテンシャルで相互作用するさまざまなガラス形成物質の動的な性質が、液体の中の構造のパッキング能により普遍的に記述されることは、液体の構造が温度の低下や圧力の上昇に伴い、自発的にパッキングのいい構造に徐々に自己組織化していること、さらにはこの自己組織化こそが、ガラス転移点近傍の遅いダイナミクスの起源であることを示唆している。
液体のダイナミクスの急激な減速が、少なくとも球対称ポテンシャルで相互作用する系においては、パッキング能の高い構造の形成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、熱力学的な因子が重要な役割を演じている現象であることを強く示唆している。パッキング能が高い領域では粒子は個々に運動することができず、協同的に運動せざるをえないために、ダイナミクスの低下が起きると推測される。このことは、液体の場合には粒子が熱的に揺らぐという点を除くと、電車が込んでくるにつれ人々の配置がパッキングの高い構造になっていく様子に似ている。また、上記の構造的特徴は、従来の液体論で用いされてきた二粒子間の距離の情報（二体相関）では記述不可能な粒子の周りの複数の隣接粒子がかかわる多粒子間の相関（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。本研究の成果は、長年の謎であったガラス転移の起源の解明に大きく貢献するものと期待される。
○発表雑誌：
雑誌名：「Nature Communications」（１２月６日版）
論文タイトル： Structural order as a genuine control parameter of dynamics in simple glass formers
著者： Hua Tong and Hajime Tanaka
DOI番号： 10.1038/s41467-019-13606-3
○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
URL：http://tanakalab.iis.u-tokyo.ac.jp/
○用語解説：
（注１）パッキング能の高い構造
一つの粒子の周りの隣接粒子を、中心粒子と結んだ線の上を中心粒子に接触するまで移動したときに、パッキングの効率が高い構造のことを言う。例えば、その状態で、全ての粒子が接触していれば、パーフェクトなパッキング状態といえる。このような構造は、同じ密度の下では、各粒子が自由に動き回れる領域が大きくなるので、パッキング能の高い構造は、エントロピー的に好まれる構造といえる。
（注２）熱揺らぎ
有限温度でみられる平均の状態からの微小かつランダムなずれのこと。温度が高くなると全ての熱ゆらぎは大きくなり、絶対零度に近づくと熱揺らぎは小さくなる。
（注３）球対称ポテンシャル
粒子間の相互作用が、粒子の中心間の距離だけによるポテンシャルのこと。
○添付資料：
図１：液体のダイナミクスのパッキング能をあらわす変数Ｘに対する依存性のグラフ。１６種類の液体の緩和時間ταが、τ０、Ｘ０、Ｃの３つのフィッティング・パラメータだけで、一つの関数（マスターカーブ）であらわせることが明らかになった。このことは、パッキング能Ｘが、液体の種類にかかわらず、そのダイナミクスを支配していることを示唆する。