物理学者が「理想ガラス」の初のコンピューターモデルを構築
オレゴン大学の研究チームが、長年理論として語られてきた「理想ガラス」の初のコンピューターモデルを作成しました。
この研究は、ガラスの本質的な構造を理解するうえで重要な成果です。
ガラスは日常的な素材ですが、その物理的な状態は完全には解明されていません。
そのため、この研究は約80年前に提起された物理学の問題に新しい答えを示す可能性があります。
さらに、研究成果は材料科学にも影響を与える可能性があります。
特に、金属ガラスなどの新しい高性能材料の設計に応用できると期待されています。
約80年前に提起された「理想ガラス」の問題
この研究は、オレゴン大学の物理学者エリック・コーウィンが率いるチームによって行われました。
研究成果は、物理学の権威ある学術誌 Physical Review Letters に掲載されています。
理想ガラスという概念は、1948年にプリンストン大学の化学者ウォルター・カウツマンが提唱しました。
彼は、ガラスを極低温まで冷却すると、最終的に特別な状態に到達する可能性があると考えました。
この状態では、分子の並び方はランダムです。
しかし、非常に効率的に詰め込まれた構造になります。
つまり、見た目は無秩序でも、物質の振る舞いは結晶に近くなると理論づけられていました。
この仮説は長年議論されてきましたが、自然界では確認されたことがありません。
従来のシミュレーションでは再現できなかった理由
これまで研究者は、ガラスの形成を再現するために「冷却過程」をシミュレーションしてきました。
つまり、液体を徐々に冷やすことでガラス状態を作ろうとしていたのです。
しかし、この方法では理想ガラスを再現できませんでした。
計算上でも、その状態に到達することが非常に難しかったからです。
そこで研究チームは、まったく異なるアプローチを採用しました。
冷却を再現するのではなく、理想構造を直接構築する方法を選んだのです。
コーウィン氏は次のように説明しています。
「私たちは、いきなりその状態に飛べるかもしれないと考えました。最良の構造を構築できるのです」
研究では、オレゴン大学の高性能コンピュータークラスターが使用されました。
無秩序なのに結晶のように振る舞う構造
研究チームはまず、ディスク状の分子を二次元空間に配置しました。
この配置では、各分子が6つの隣接分子と接触します。
この構造は、結晶でよく見られるハニカム状の幾何学構造です。
つまり、非常に効率のよい充填構造です。
しかし研究者は、この構造から繰り返しの結晶パターンだけを取り除きました。
その結果、次の特徴を持つ構造が生まれました。
・完全に非晶質（結晶ではない）
・しかし密度は極めて高い
・機械的性質は結晶とほぼ同じ
コーウィン氏は研究結果について次のように述べています。
「我々の構造は完全に非晶質であるにもかかわらず、機械的には結晶と同じように振る舞います」
理想ガラスに予測されていた特徴を再現
今回作成されたモデルは、理論で予測されていた特徴を示しました。
主な特性は次の通りです。
・高い体積弾性率
圧縮に強い性質です。
・高いせん断弾性率
形状変化にも強い材料特性です。
・異常に高い密度
・ゼロの配置エントロピー
配置エントロピーとは、分子の並び方の自由度を示す指標です。
ゼロに近いほど、構造は極めて安定しています。
さらに、この構造は低周波振動がほとんど存在しないという特徴も示しました。
これは非晶質材料では珍しい性質です。
また、「超一様性（Hyperuniformity）」と呼ばれる特性も確認されました。
これは、広い範囲で密度の揺らぎが極めて小さい状態を指します。
金属ガラス開発への応用の可能性
今回の研究は、材料科学にも影響を与える可能性があります。
特に注目されるのが金属ガラスです。
金属ガラスとは、結晶構造を持たない金属材料のことです。
通常の金属とは異なり、分子がランダムに配置されています。
この材料には次のような利点があります。
・非常に高い強度
・耐摩耗性
・変形に強い
しかし、現在の製造方法には大きな課題があります。
それは極めて高速な冷却が必要という点です。
このため、大型部品の製造は難しいとされています。
理想ガラスの理解が進めば、より容易にガラス状態を作れる合金の設計が可能になるかもしれません。
その結果、加工ではなく成形による部品製造が実現する可能性があります。
コーウィン氏は次のように語っています。
「自動車のエンジンを成形できるようになるかもしれないし、戦闘機を成形できるようになるかもしれない。それは革命的なことだ」
今後の研究課題
今回の研究は二次元モデルで実施されました。
つまり、分子配置は平面上でシミュレーションされています。
しかし、現実の材料は三次元構造です。
そのため研究チームは、三次元モデルへの拡張を計画しています。
ただし現在のアルゴリズムは、そのまま3Dには適用できません。
新しい計算手法の開発が必要になります。
それでも今回の成果は、長年の理論問題に新しい道を開きました。
今後の研究が進めば、材料科学と工学に大きな変化をもたらす可能性があります。
ソース
phys.org
Physical Review Letters
PubMed
National Today
