Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

ガラス / アモルファス / 非調和性 / 分子の再配置 / 音波伝搬特性 / 二準位系 / フォノン様振動モード / 局在振動モード / 粒子の再配置 / フォノン様モード / 配置換え / 分子振動

前年度は、ガラスの振動モードがフォノン様モードであれ、局在化振動モードであれ、粒子の配置換えを伴う非調和性を有することを示した。当年度は、ガラスに熱を与えたときに、このような非調和性がどのように出現するかを明らかにした。
有限温度のガラス固体の分子動力学シミュレーションを実施し、分子の熱振動運動を詳細に解析した。その結果、ガラス転移温度よりもオーダー低い温度においても、分子は再配置運動を行いながら振動することが明らかになった。すなわち、熱によって振動モードが励起されて、励起された振動モードによって分子の再配置が次々と誘発されることが分かった。本研究の結果から、ガラスの分子振動が、結晶のものとは決定的に異なることが確立された。すなわち、結晶の分子は一つの配置のまわりを振動するのに対して、ガラスの分子は配置を時々刻々と変えながら、その変化していく配置のまわりを振動することが確立された。
さらに、このようなガラス特有の非調和性が、ガラスの音波伝搬物性にどのような影響を与えるかを調べた。その結果、音波伝搬物性に対して特異な温度依存性を生み出すことが分かり、ガラス特有の熱伝導率の起源となることが分かった。
過去に実施された数多くのガラスの熱測定や中性子・光散乱実験の結果から、ガラスには結晶には無い特異な分子振動励起があることが示唆されてきたが、本研究によってその振動励起の正体を突き止めることができ、したがってガラス固体の理解を大きく発展させることができたと考える。

ガラス / アモルファス / 弾性不均一性 / 振動特性 / 弾性波 / 局在振動モード / デバイ則 / 有効媒質近似 / 局在振動 / ボゾンピーク / 局在化振動 / 化学物理

本研究はマクロスケール（連続体極限）においても、ガラスは均質な弾性体として振る舞うことはなく、欠陥がある弾性体として振る舞うことを明らかにした。そのため、ガラスには弾性波に加えて、欠陥に付随した局在振動モードが生じることが分かった。また、局在振動モードではある領域の分子が極めて大きく振動するが、その領域の振動は座屈的な不安定なものであることを明らかにした。さらに、弾性不均一性を導入した弾性体理論に局在振動モードの効果を取り入れることによって、ガラスの音波輸送物性を正しく記述することに成功した。

本研究成果はガラスの固体物理学の発展に貢献するものである。現在確立されている固体物理学は結晶の固体物性を記述する理論体系であり、結晶の規則性・周期性の上に成り立つ。一方で、ガラスの固体物性を記述するためには、現状の固体物理学とは全く別の、不規則性・アモルファスを基盤とする理論体系を構築する必要がある。本研究で発見された局在振動モードはまさにアモルファスに付随したものであり、ガラスの固体物理学を構築する際の鍵になると考える。さらに、我々の生活にはガラス材料で溢れており、本研究で得たガラスの基礎的理解は、新しい固体物性をもったガラス材料を開発するなどの工学応用においても意義がある。

【研究協力者】
池田昌司