東京大学は2023年8月8日、結晶化や相分離を起こさないように、いろいろな大きさの粒子を組み合わせることで最近開発された並外れたガラス形成能力を持つ2次元液体モデルと、粒子サイズの入れ替えを許すモンテカルロ法を組み合わせたモデルが、低温で特殊な秩序を持つことを発表した。低温の液体に通常の解析法では見ることができない、エキゾチックな構造が隠れていたという。
液体を急速に冷却すると、液体は準安定な過冷却状態になり、最終的に機械的な剛性と乱雑な構造を併せ持つ非晶質固体「ガラス」に固化する。しかし、このガラス転移現象は、明確な構造変化を伴わない液体から固体への転移のユニークな例で、基本的な理解がなされていない。
全ての単純な物質は冷却により結晶化するが、これは低温状態の物質の宿命として広く知られている。したがって、ガラス転移問題の研究には、結晶化に対するフラストレーションを系に導入し、冷却時に無秩序な液体状態を維持する能力を実現する必要がある。
最近、結晶化や相分離を回避できる驚異的なガラス形成能力を持つ新規モデルガラス形成液体が開発され、理想ガラス転移の近傍に近づくことができるようになったが、無秩序な液体状態は、一般に何らかの秩序化によって自由エネルギーが低下する傾向がある。
そこで、このモデルガラス形成液体のコンピュータシミュレーションにより、他のタイプの構造秩序が低温で生まれていないかどうか、そして、それが過冷却液体とガラス転移の物理学においてどのような役割を果たすのかという疑問について研究した。
粒子の大きさに特殊な分布を持たせたガラス形成液体と、粒子交換を許すモンテカルロ法の組み合わせは、極めて低温まで液体の状態を保ったまま平衡化できることが示されており、極低温での乱雑な液体状態に直接迫ることができるモデルとして注目されていた。
しかし、結晶化と相分離という通常起きる現象を無理やり封じ込めたこの系が、一般的な液体のモデルになりえるのかは自明ではなかったため、このモデル液体の低温状態の構造を詳細に調べた。その結果、通常の液体構造解析手法である構造因子や動径分布関数では検出できないエキゾチックな組成についての秩序が存在することを発見した。
具体的には、低温において小さい粒子と大きい粒子の結合により形成されるネットワーク状の構造と、そのネットワークの穴に存在する中ぐらいの粒子によって形成されるパッチが共存する「異質な組成秩序」を持っていた。
こうしたエキゾチックな組成秩序は、従来の構造の特徴では観察できないことに加え、この秩序化は熱力学的なサインを伴わないため、これまでの研究では見逃されてきた。また、このエキゾチックな組成秩序の出現が、液体の構造変化のタイムスケールに直接影響を与えることがわかった。
この研究は、ガラス転移を理解する上で、型破りな構造秩序が特殊な役割を果たしていることを示唆している。このモデル液体の挙動を、典型的なガラス形成液体の挙動としてみなしていいかについて、根本的な疑問を投げかけたといえる。
関連情報
【記者発表】高性能ガラスシミュレーションモデルは現実を反映するか ――低温液体で現れた、予期せぬ構造化―― – 東京大学生産技術研究所
