ガラスの流動化を生み出すミクロな構造の解明に成功——普遍的レオロジー法則の構造起源を特定 東京大学ら

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開発手法で抽出したHerschel-Bulkley則のミクロな構造起源の可視化結果

東京大学は2021年9月3日、日本学術振興会と共同で、ガラスの流動化を生み出すミクロな構造の解明に成功したと発表した。

セメントやマヨネーズ、歯磨き粉などは、静置状態では流動せずに固体的に振る舞うが、一定以上の力を加えると流体のように流れるという特殊な性質を持つ。降伏流体と呼ばれるこれらの物質に力を加えた際の挙動は、Herschel-Bulkley則と呼ばれるレオロジー法則に従うことがこれまで経験的に知られていた。しかし同法則のミクロな起源は、同法則が発見されて以来これまで90年あまり未解明のままだった。

今回の研究では、Herschel-Bulkley則に従う最もシンプルな物質である単純ガラスを対象に、同法則のミクロな構造起源の解明を試みた。

まず、大規模なコンピュータシミュレーションによって、さまざまな条件で、外力によって定常的に流動化されたガラスの詳細な構造データを網羅的に取得。次に、固体が有する固有の振動パターンを抽出することができる基準振動解析を拡張することによって、従来の知見とは異なる性質を定量化できることを見出した。

従来は、構成分子間に働く力が平衡状態にある固体を対象に固有振動パターンを解析してきた。今回の研究ではこの手法を、力の平衡状態とは無関係に構造が刻々変化する流動状態にあるガラスに拡張。流動状態のガラスでは力学的平衡状態では観察されることがない、虚数振動数を持った振動パターンを観測した。この虚数振動数は構造が不安定である状態だと解釈でき、この特異な固有振動の不安定性が流動化の起源になっていることを直接示すことに成功した。

さらに、虚数振動数を持つ振動モードの個数の統計量に、降伏臨界性という理論の文脈で解釈を与えることで、流動化核となっている上記の個数から、Herschel-Bulkley則が定量的に導けることを示した。

今回の研究結果は、ガラスのレオロジーについての理解を進展させるもので、ガラスの本質的な性質についてのレオロジーや、流動化現象などの理解が深まることが期待される。また今回のようなマクロなレオロジー特性とミクロな性質を結びつける手法を、より複雑な物質に拡張することができれば、希望するレオロジー特性を持った材料開発に向けた設計指針の提示が可能になることが期待されるという。

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