プラスチックなどのガラス状高分子における分子振動のメカニズムを解明 東京大学など

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東京大学は2019年12月23日、大阪大学および筑波大学と共同で、プラスチックなどのガラス状高分子における分子振動のメカニズムを解明したと発表した。

日用品などで多く利用されているプラスチックは、高分子鎖が多数集合してガラス化した状態だ。しかし、高分子鎖が集まるとなぜ窓ガラスのように固くなるのか、その性質の分子レベルでのメカニズムはこれまで明らかにされてこなかった。

今回の研究では、高分子鎖の集合体がガラスになる過程を、分子動力学法と呼ばれるコンピューターシミュレーションによって再現し、その性質を詳しく解析した。

物質を特定面と平行方向に歪ませる「ずり変形」を加えて硬さを計測すると、高分子鎖1本が固くなるにつれて集合体全体も硬くなる。しかし、系全体の硬さは、歪み発生の前後で分子の位置や方向が変化する「非アフィン変形」によって、高分子鎖1本の硬さに対して相対的に非常に柔らかくなることを発見した。

また、高分子鎖における分子振動の状態を示す振動状態密度を計算し、「ボゾンピーク」と呼ばれる低エネルギー振動励起が高分子ガラスにも存在していることを理論的に解明。ボゾンピークの振動数は高分子鎖の硬さによって変化しており、それが、ずり変形に対する硬さを表す「剪断弾性率」のみによって記述できるという極めて単純な性質を持つことを発見した。

今回の発見は、プラスチックを含むガラス物質がランダムな分子配列のまま固体化するガラス転移現象の解明につながるという。また、ボゾンピークを観測できるテラヘルツ波によって、プラスチックのずり変形のしにくさなどの力学特性を非破壊かつ非接触で、今後評価できる可能性があるという。

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