山本量一 工学研究科教授、Paddy Royall ブリストル大学物理学科博士、Karoline Wiesner 同博士らのチームは、コンピュータシミュレーションと情報理論とを組み合わせた研究を行い、ガラス状態にある物質中では固体的領域と液体的領域が混在するものの、低温?高密度になるほど固体的領域のサイズが増大し、その領域では分子がある特定の幾何学的構造に組織化されていることを発見しました。
本研究成果は、2015年1月22日（英国時間）付の英国科学誌「Nature Communications」電子速報版に掲載されました。
研究者からのコメント
山本教授
ここでいうガラスとは、液体が温度低下とともに不规则な分子构造のまま固体的になった物质、あるいはその状态のことです。これ自体、今日の科学の进歩の速度からすると非常に长い间解明されないままの难问ですが、それだけではなく「粉粒体の詰り（ジャミング）」、「土砂や火山灰の流动化（土石流）」、「なだれ」、「交通渋滞」などの発生原理、さらには「分子混雑」と呼ばれる非常にこみ入った状态の生物の细胞内环境などもガラス状态と深く関係していることがわかっています。いずれの问题も、世界最速のスーパーコンピュータでも答えを出すことが出来ない难问ばかりですが、ガラス状态の本质、あるいは液体がガラス化する原理を解明することによって、このようなガラスに関连した広范囲の问题の解明につながることが期待できます。
今回の研究は、コンピュータシミュレーションと情报理论を用いた一つの予测ではありますが、ガラスと液体との间に明确な违いを示唆できたことは大変価値があります。その违いを物理量としていかに定量化するか、さらには同様の结果を実际のガラスについて実験的に得ることが出来るかどうか、今后に残された课题です。
概要
「ガラスは固体である（つまり液体のように流れない）」と断言できるでしょうか？
ガラス吹き职人が工芸品を作る様子を见れば、加热されたガラスが液体的な性质を持つことは明らかです。しかし、一旦そのガラスを室温まで冷却すれば、一転して固体的な性质が支配的になり、グラスの中にワインを注いだり、窓ガラスとして使用したりすることが出来るようになります。
固体とは、微视的には分子が结晶的な规则正しい配置に収まって移动しない（流れない）状态を意味し、液体とは明确に区别できます。しかし、ガラスを构成する分子は规则正しい状态には収まっておらず、非常にゆっくりではありますが、移动し（流れ）続けているように见えます。ガラスの场合それが本当にゆっくりであるため、例えば窓ガラスが知覚できる程度に流れるには千年以上かかるとも言われています。
ガラスという、巨视的には固体に、微视的には液体に见える不思议な状态に関する研究は実は古くからありますが、その本质は未だに解明されていません。今日のスーパーコンピュータの力を持ってしても、ガラスが千年のスケールで流れるか否かという问题に、直接答えを出すには性能が远く及ばないのです。
そこで本研究チームは、コンピュータシミュレーションと情报理论とを组み合わせた研究を行いました。その结果、ガラス状态にある物质中では、固体的领域と液体的领域が混在するものの、低温?高密度になるにつれて固体的领域のサイズが増大し、その领域では分子がある特定の几何学的构造（例えば下図の正20面体）に组织化されていることを発见しました。この结果はガラスが确かに固体であることを示す有力な証拠となります。
図：1952年 Charles Frank 卿（ブリストル大学HH Wills 物理学研究所）により安定構造として予見された正20面体。正3角形20枚で構成される多面体で、3次元空間では最大の面数を持つ正多面体
详しい研究内容について
书誌情报
[DOI]
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Andrew J. Dunleavy, Karoline Wiesner, Ryoichi Yamamoto & C. Patrick Royall
"Mutual information reveals multiple structural relaxation mechanisms in a model glass former"
Nature Communications 6, Article number: 6089 Published 22 January 2015
掲载情报
- 京都新聞（1月31日 9面）に掲載されました。
