【研究領域課題番号】19F01021 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ガラス転移 / ガラス形成能 / 結晶化 / 金属合金

【研究成果の概要】

カルコゲナイドガラスや金属ガラスのガラス形成能は、応用上の重要性から多くの注目を集めてきたが、その制御因子は不明であった。特に、複数の原子種を混合することによりある組成でガラス形成能が劇的に向上することが経験的に知られていたが、その物理的機構は未解明であった。そこでこの謎に迫るべく、分子動力学シミュレーションを用いて、大きく異なるガラス形成能を持つ３つのモデル金属系について研究を行った。その結果、これらの系の結晶化の熱力学的駆動力には大きな差はないこと、一方で、液体と結晶の界面張力は大きく異なることを見出した。また、これらの液体のダイナミクスにも大きな差がないことから、これらの系のガラス形成能の違いは、液体・結晶間の界面張力によって支配されていることが明らかとなった。さらに、界面張力は、液体中に自発的に形成される構造的な秩序とその構造内の原子組成によって決定されていることを明らかにした。また、界面張力は、結晶の核形成を支配しているだけでなく、結晶成長にも大きな影響を与えることを明らかにした。これらの事実は、古典的な結晶化理論には重大な欠陥があり、これまで考えられてこなかった液体中に形成される局所的な構造秩序の効果をあらわに考慮する必要があることを強く示唆している。

【研究種目】特別研究員奨励費

【研究期間】2019-10-11 - 2021-03-31

【配分額】2,300千円 (直接経費: 2,300千円)

【研究領域課題番号】18H03675 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

液体物理学 / 水の異常性 / 液体・液体転移 / ガラス転移 / 結晶化 / 二状態体モデル / 局所安定構造

【研究成果の概要】

ガラス転移をめぐる大きな論争の種は、液体の構造が粘性の増大に重要な働きをしているか否かという点である。液体を構成する粒子間に引力と斥力の作用が存在するLennard-Jonesポテンシャルと、その斥力部分だけを取り出したWCAポテンシャルで相互作用する２つの液体のシミュレーション結果を比べると、X線などで観察される構造因子は全く変わらないのに、ダイナミクス（粒子運動）の遅くなり方は２つの系で大きく異なることが報告され、ダイナミクスを決める上で構造が重要ではない証拠と考えられてきた。
今回、我々が過去に導入した「局所的なパッキング能が高い粒子配置構造」を用いて２つの系の構造を比べたところ、実は構造が大きく異なることが明らかになり、引力相互作用が液体の構造を大きく変え、その結果、ダイナミクスにも多大な影響を与えていることを発見した。今回の成果は従来の常識に反し,液体の構造を決めるには２体相関では不十分であり、３体以上の多体相関が不可欠であることを示したといえる。本研究の成果は、液体の構造を記述するには角度情報が不可欠であること、さらには、長年の謎であったガラス転移に伴う粘性の増大が、液体の構造化にあることを示唆しており、液体の理解に大きなインパクトを与えるものと期待される（Phys. Rev. Lett.に発表）。
また、コロイド系の一粒子レベル観察により、結晶多形を示す系の結晶化過程において、どのように最終構造が形成されるかを明らかにすることに成功した。液体の中でできては消える局所的に安定な構造の存在下で、結晶化初期には、さまざまな結晶構造を内包した結晶の核が形成されるが、これらの構造が競合しながら、時間とともにより安定な結晶が徐々に発達し安定化されていく機構を明らかにした点に新規性がある（Sci. Adv.に発表）。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2018-04-01 - 2021-03-31

【配分額】44,070千円 (直接経費: 33,900千円、間接経費: 10,170千円)

【研究分野】金属物性・材料

【研究領域課題番号】15F15373 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

金属ガラス / 逆スピンホール効果 / 結晶化 / ガラス転移 / 構造緩和 / ポーラス材料 / 相分離 / 薄膜 / 多層膜

【研究成果の概要】

最終年度は、逆スピンホール効果を利用した金属ガラス薄膜の構造変化のモニタリング手法を開発した。特に、金属ガラスの結晶化プロセスに関して、逆スピンホール効果により検出する方法を示した。結晶化は金属ガラスにとって最も重要な構造変化であり、これはガラス状態に関する特性の劣化を示すものである。特にスパッタリング法で作製するような超薄膜の場合では、金属ガラス相の結晶化に関する構造変化をリアルタイムに観察することは、熱分析の代わりとなる汎用性のあるプローブがないため困難となる。また通常、ガラス転移温度および結晶化温度は、超薄膜の場合、試料表面での高い原子移動度に起因して、バルク試料のそれよりもはるかに低くなることが知られている。本研究では、金－シリコン2元系金属ガラスにおける逆スピンホール効果を用いて結晶化プロセスを敏感にモニターすることができており、結晶化相よりも金属ガラス相の方がはるかに大きな値を示すことが明らかとなった。また、電気抵抗と比較して、逆スピンホール電圧の変動量は約1桁大きく、これは電子スピンプローブの感度が極めて高いことを示している。本研究によって、スピントロニクスデバイスに応用できるようなスピン電荷変換効率の高い新規な準安定相を設計する新たな道が開かれ、さらに逆スピンホール効果を新たなプローブとして金属ガラスにおける様々な構造相転移挙動を検出することが可能となることが期待される。

【研究種目】特別研究員奨励費

【研究期間】2015-10-09 - 2018-03-31

【配分額】2,300千円 (直接経費: 2,300千円)

【研究分野】生物物理・化学物理

【研究領域課題番号】21224011 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

液体 / 時空階層性 / 水の熱力学異常 / ガラス転移 / 液体・液体転移 / 結晶化 / 階層構造 / 自己組織化 / ダイナミクス

【研究成果の概要】

液体状態は物質の基本状態の一つであるが、その基礎的理解は気体・固体に比べ大きく遅れてきた。我々は、液体の本性に関わる基本現象として液体・液体転移、ガラス転移、結晶化、水の特異性、非線形流動などに注目して研究を行った。その結果、これらすべての現象において液体の内包する時空階層性が大きな役割を果たすことが明らかとなった。これにより、従来の液体状態についての「乱雑かつ等方的な流体」という常識的描像によって上記の現象を理解することは困難であり、時空階層性を考慮の上、液体論を根本的に構築しなおす必要があることが示された。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2009-05-11 - 2014-03-31

【配分額】197,340千円 (直接経費: 151,800千円、間接経費: 45,540千円)

【研究分野】物理化学

【研究領域課題番号】10440169 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ガラス転移 / 液体構造 / 結晶核生成 / 結晶化 / クラスター / トンネル顕微鏡 / 熱測定 / 誘電緩和 / 熱容量

【研究成果の概要】

過冷却液体やガラスの科学的理解はその分子凝集構造が基本的に無秩序であるために十分に進んでいない。しかし,その性質は低温で特徴的な挙動を示し,その構造の発達が性質の決定に重要な役割を果たしている。我々は,これらの系に対して「秩序クラスター凝集体モデル」を提示してきた。本研究では,そのモデルに基づく新たな現象の発見,解明とともに,二次元系ガラスの形成とその分子配置の直接観察を試みた。
1.液体窒素温度で蒸着,観察可能なトンネル顕微鏡を製作し,o-ターフェニルの同定に成功した。完全な単層膜の作製,観察には未だ成功していない。
2.1および3位の置換基を系統的に変えたベンゼン誘導体のαおよびβ構造緩和過程の誘電測定を行った。β緩和時間はイソプロピル基程度までの大きさや,-OH,-NH_2基の有無に依存しない。一方,α緩和時間は置換基の大きさ,-OH,-NH_2基の有無に強く依存する。また,β緩和強度はαガラス転移温度領域を急冷した場合に,徐冷した場合に比較して大きい。
3.フェニル環を有するトルエンなど7種の化合物において均一核生成主導結晶化を見いだした。結晶核生成においてフェニル環の存在が重要であることを示している。また,結晶成長において結晶核間の界面の構造的整合性が重要な役割を果たすことを明らかにした。
4.o-ベンジルフェノールを融点以上からαガラス転移温度以下に超急冷した後の結晶核の生成を追跡した。その結果,結晶核が生成し,それが消滅すること,さらに長時間保持することにより再生成することを見いだした。
5.トリフェニルフォスファイトにおいて,通常の液相(L_N相)に加えて,他の非晶質相(L_C相)が存在することを確認し,L_C相のα緩和の性質を解明した。その結果に基づき,一般にα分子再配置過程は秩序クラスターの大きさと,クラスター内秩序という相対的に独立した2つの因子により支配され,α緩和時間は基本的にクラスター内秩序度により決定されることを議論した。
6.以上の結果を提示したモデルに基づき議論,検討した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1998 - 2000

【配分額】13,400千円 (直接経費: 13,400千円)