ガラスのナノスケール柱状構造を原因とする密度のむらの解明に成功早稲田大学ら

早稲田大学は2024年5月13日、同大学理工学術院、東北大学および物質・材料研究機構の研究グループが、シリカ（SiO₂）ガラスに存在するナノスケール柱状構造とその配列に関連する複数の異なる周期性を発見したと発表した。

代表的なガラスであるシリカガラスに対してX線などの波長の短い波を照射すると、波が原子配列に干渉されて独特のパターンが出ることが分かっている。そのうち、特に原子間のスケールよりも大きな周期に対応する「FSDP（First Sharp Diffraction Peak）」という回析ピークについては、盛んに議論されてきたにもかかわらず、その起源が分からなかった。

今回の研究では、オングストロームビーム電子回折法を用い、かつエネルギーフィルターを導入することで、シリカガラスの局所領域（1nm以下の領域）からのFSDPを明瞭に撮影することに成功。さらに、シミュレーションによりこの観察結果を再現し、抽出した局所構造に高速フーリエ変換を適用することで、構造中に存在する擬周期が原子の柱状構造の配列から生じることを明らかにした。

柱状構造はブリッジの役割を果たす原子によってお互い接続されており、ほぼ等間隔に並んで擬格子面を構成している。これが要因となってFSDPが発生すると同大学では推測している。また、この柱状構造が取り囲むようにして柱状の空隙があり、明瞭な密度ゆらぎの存在が示唆されている。この密度ゆらぎを特徴づける複数の周期が混在して、複雑な階層的構造が形成されていることも解明した。

柱状構造の配列は、ガラスにおける密度のむら（密度ゆらぎ）と関連しており、ガラスを電池用材料や窓ガラス、光ファイバーとして活用する際のイオン伝導特性、強度、光学特性を改善させるための基礎として重要だという。

ガラスのナノスケール柱状構造を原因とする密度のむらの解明に成功　早稲田大学ら