ガラスがガラスセラミックスになる過程を初観測　AGC研究G

国立研究開発法人物質・材料研究機構（茨城県つくば市）、AGC（東京都千代田区）、（公財）高輝度光科学研究センター（兵庫県佐用郡）の研究グループは4月19日、ガラスが結晶化してガラスセラミックスとなる初期過程を観測することに成功したと発表した。今回の研究で使用された構造解析手法が新たな高機能材料の合成にも役立つとして期待を寄せている。

ガラスセラミックスは、ガラス特有の透明性、絶縁性を持ちながら、ガラスの弱点を補う「割れにくい」「急激な温度変化に強い」といった性質を持っている。そのためIHクッキングヒーターなどの調理器具のトッププレートなどに使用されている。

ガラスセラミックスを作る際、熱処理によって部分的に結晶ができるよう、あらかじめ組成を設計・制御したガラスを合成する必要がある。そしてガラスセラミックスが生じる過程では、ガラスの中に結晶の種である結晶核が生成し、そこから結晶粒子が成長していくと考えられてきた。しかし、これまでの研究では、結晶核がどのように生成・成長してガラスセラミックスになるかについては明らかにされていなかった。

今回の研究では、酸化ジルコニウムを添加したリチウムアルミノケイ酸塩ガラスを用い、そのガラスがガラスセラミックスに変化する初期過程を、X線を使った構造解析により観測。熱処理により、ガラスに存在するジルコニウムが豊富な領域と希薄な領域とで分離され、このうちジルコニウムが豊富な領域で結晶核の形成が進行することを確認した。

さらにジルコニウム酸化物結晶核の周囲で、ジルコニウムが酸素を介し、シリコン、アルミニウムと連結した結合が形成されていることも初めて確認。ガラス中に結晶核が生成するメカニズムを、原子レベルからナノメートルの広い空間スケールで説明できるモデルを提案することに成功している。

研究で用いられた構造解析手法は、複雑な組成の実用材料などにも適用可能であることから、今後さまざまな実用材料の機能発現メカニズムを明らかにし、その知見を基にした新規高機能材料の合成にも役立てたいとしている。

研究で明らかになった構造変化

■掲載論文
題目：Formation of a zirconium oxide crystal nucleus in the initial nucleation stage in aluminosilicate glass investigated by X-ray
multiscale analysis
著者：YoheiOnodera, Yasuyuki Takimoto, Hiroyuki Hijiya, Qing Li, Hiroo Tajiri, Toshiaki Ina, Shinji Kohara
雑誌：NPG Asia Materials （DOI：10.1038/s41427-024-00542-y）
掲載日時：2024年4月19日

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