東京大学および名古屋大学は2024年7月1日、両大学の共同研究グループが、ガラス形成液体の非ニュートンレオロジー理論において、流動メカニズムの理論的な理解を確立したと発表した。同発表によると、20年来の観測との不整合が解決したという。
水などの流体は、流れの速さが変わっても粘性率が一定となるニュートンレオロジーを示す。一方で、融点以下の過冷却状態となると、顕著な非ニュートンレオロジーが生じる。
過冷却状態にあるガラス形成液体は、ネバネバした（粘性率が極めて大きい）流体だ。一方で、流れが速くなると、粘性率が減少してサラサラとした流体に変化する。
このような非ニュートンレオロジーは、シアシニングと呼ばれる。これを説明するにあたり、約20年前にモード結合理論と呼ばれる理論が構築された。しかし、同理論は、計算機シミュレーションや実験による観測結果と整合しない点が課題となっていた。
ネバネバしたガラス形成液体では、流れによって原子や分子の移流が生じる前に弾性的な歪みが発生する。この歪みの段階で、既に粘性率が急激に減少するという。今回の研究では、この歪みのメカニズムに着目した。
同研究グループは、モード結合理論に歪みのメカニズムを組み込んだ。下図において、同メカニズムを組み込んだ理論が指数が0.7の∝γ-0.7（青線）を予測。観測結果と整合した。従来の理論によるメカニズムは指数が１の∝γ-1（赤線）を予測しており、観測と不整合だった。
いくつかのガラス形成液体について、剪断率γ（剪断流の速さ）を変えたときの粘性率の振る舞いに関するシミュレーション観測結果
今回の研究結果は、ガラス形成液体の非ニュートンレオロジーに関する基礎的な理解につながるほか、ガラス材料の生産加工といった応用面にも寄与する。さらに、高性能や新機能を有するガラス材料の開発につながることが期待される。
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