ガラスに新たな状態が発見される

コンスタンツ大学の研究チームが、本質が謎のままであったガラスの物理的特性の一部を解明し、新たなガラスの状態も発見しました。

物体が液体から固体状態に遷移すると、分子が整列して結晶パターンを形成しますが、ガラスではこれは起こりません。ガラスは便宜上ガラスと呼んでいますが、特性が判明され次第名称が変更するかもしれない物体です。

While glass is a truly ubiquitous material that we use on a daily basis, it also represents a major scientific conundrum. Contrary to what one might expect, the true nature of glass remains something of a mystery, with scientific inquiry into its chemical and physical properties still underway. In chemistry and physics, the term glass itself is a mutable concept: It includes the substance we know as window glass, but it may also refer to a range of other materials with properties that can be explained by reference to glass-like behaviour, including, for instance, metals, plastics, proteins, and even biological cells.

参照元：https://www.uni-konstanz.de/en/university/news-and-media/current-announcements/press-releases/press-releases-in-detail/weder-fluessig-noch-fest/
– コンスタンツ大学 University of Konstanz. 05.01.2021 –

ガラスは私たちが日常的に使用している真にユビキタスな素材ですが、科学的な大きな難問でもあります。

予想に反して、ガラスの本質は謎のままであり、その化学的および物理的特性に関する科学的調査がまだ進行中です。

化学および物理学では、ガラスという用語自体は変更可能な概念です。

これには、窓ガラスとして知られている物質が含まれますが、ガラスのような動作を参照することで説明できる特性を持つ他のさまざまな材料を指す場合もあります。

たとえば、金属、プラスチック、タンパク質、さらには生体細胞です。

印象を与えるかもしれませんが、ガラスは従来の固体ではありません。

通常、材料が液体から固体状態に遷移すると、分子が整列して結晶パターンを形成します。

ガラスでは、これは起こりません。

代わりに、結晶化が起こる前に、分子はその場で効果的に凍結されます。

この奇妙で無秩序な状態は、さまざまなシステムにわたるガラスの特徴であり、科学者は、この準安定状態がどのように正確に形成されるかをまだ理解しようとしています。

コンスタンツ大学を拠点とするAndreasZumbusch教授（化学科）とMatthias Fuchs教授（物理学科）が率いる研究は、ガラスの難問にもう1つの複雑さの層を追加しました。

研究者たちは、オーダーメイドの楕円体コロイドの懸濁液を含むモデルシステムを使用して、個々の粒子が移動できるが回転できない新しい物質の状態である液体ガラスを発見しました。

これは、バルクガラスではこれまで観察されていなかった複雑な動作です。

結果は、全米科学アカデミーの議事録に掲載されています。

コロイド懸濁液は、マイクロメートル（100万分の1メートル）以上のサイズで原子または分子よりも大きい固体粒子を含む混合物または流体であるため、光学顕微鏡による調査に適しています。

それらは、他のガラス形成材料でも発生する現象の多くを特徴としているため、ガラス転移を研究している科学者の間で人気があります。

今日まで、コロイド懸濁液を含むほとんどの実験は、球状コロイドに依存してきました。

ただし、自然および技術システムの大部分は、非球形の粒子で構成されています。

Andreas Zumbusch教授が率いるチームは、高分子化学を使用して小さなプラスチック粒子を製造し、楕円形になるまで伸ばして冷却し、適切な溶媒に入れました。

Zumbusch教授は説明します。

「球形の粒子とは対照的に、粒子の形状が異なるため、まったく新しい、これまで研究されていなかった種類の複雑な挙動が生じます。」

その後、研究者たちは懸濁液中の粒子濃度を変化させ、共焦点顕微鏡を使用して粒子の並進運動と回転運動の両方を追跡しました。

Zumbusch教授は話します。

「特定の粒子密度では、並進運動が持続する一方で配向運動が凍結し、粒子が集まって同様の配向を持つ局所構造を形成するガラス状態になりました。」

研究者が液体ガラスと呼んでいるのは、これらのクラスターが相互に妨害し、特徴的な長距離空間相関を媒介した結果です。

これらは、熱力学から予想される物質のグローバルに秩序化された状態である液晶の形成を防ぎます。

研究者が観察したのは、実際には、2つの競合するガラス転移（通常の相転移と非平衡相転移）が相互作用していることでした。

Matthias Fuchs教授は話します。

「これは理論的な観点から非常に興味深いものです。私たちの実験は、科学界がかなり長い間追い求めてきた、重大な変動とガラス質の逮捕との間の相互作用の一種の証拠を提供します。」

液体ガラスの予測は、20年間理論的な推測のままでした。

結果はさらに、同様のダイナミクスが他のガラス形成システムで機能している可能性があり、したがって、非常に小さい（生物学的）から非常に大きい（宇宙論的）までの複雑なシステムおよび分子の挙動に光を当てるのに役立つ可能性があることを示唆しています。

また、液晶デバイスの開発にも影響を与える可能性があります。