JAXAら,ガラスにならない液体の構造解明

宇宙航空研究開発機構(JAXA),琉球大学,物質・材料研究機構,京都大学,ノルウェー科学技術大学,弘前大学,函館工業高等専門学校,東北大学,エイ・イー・エス,高輝度光科学研究センター,理化学研究所の研究グループは,ガラスにならない液体として知られている酸化エルビウム(Er2O3)液体(融点:2413℃)の原子配列と電子状態を世界で初めて解明した(ニュースリリース)。

ガラスになる液体とガラスにならない液体では原子配列に違いがあることが以前から指摘されていたが,その違いを原子・電子レベルで解明するのは難しく,現在でもガラス科学における大きな謎だった。

研究グループは,あえてガラスにならない液体の構造を明らかにすることで,ガラス化の本質に迫ることができると考え,ガラスにならない物質のひとつである酸化エルビウム(Er2O3)の解析を試みた。

Er2O3の融点は2413℃と酸化物の中でも特に高く,従来の容器を用いた手法では,容器との反応や凝固が生じ,液体状態を維持することが困難だった。そこで研究グループは,「きぼう」に搭載された加熱レーザーを用いる静電浮遊炉ELFと,SPring-8の高エネルギーX線回折ビームラインで,独自に開発した無容器ガス浮遊炉を組み込んだ実験装置を利用して,2650℃の超高温での密度および構造計測に成功した。

具体的には,Er2O3液体の回折パターンにはガラスになる液体に共通する特徴的なピークが現れず,その回折ピークは液体としては異常に鋭い,すなわち液体としては極めて高い周期性があることを世界に先駆けて発見した。

また,ELFの高精度密度データとシミュレーションにより,この実験データを忠実に再現する3次元構造モデルの構築に成功した。このモデルを用いて原子配列を調べたところ,これまで研究してきたガラスにならない高温液体には存在しない,歪んだOEr4クラスターが形成されていることが明らかになった。

そして,シミュレーションから電子状態を計算すると,この歪んだ構造を反映したバンドギャップが非常に狭い電子状態であることが明らかになった。さらに,先端数学により,Er2O3液体は位相幾何学的に結晶に近いことを突き止めた。

これまで2000℃を超えるような高温領域における酸化物液体の密度を正確に計測する手段はなく,ボトルネックとなっていた。今回,宇宙・地上での実験と大規模理論計算・先端数学の連携が,ガラスにならない超高温酸化物液体が持つ特異構造の発見につながったとしている。

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