image: Glass transition driven by thermodynamics. view more
Credit: 2018 HAJIME TANAKA, INSTITUTE OF INDUSTRIAL SCIENCE, THE UNIVERSITY OF TOKYO
東京大学 生産技術研究所の田中 肇 教授、トン・フア（Tong Hua）特任研究員の研究グループは、ガラス転移点の近くで、液体の粒子の動きが急激に遅くなり、粘性が何桁にもわたって増大して流れにくくなる起源を探るべく研究を行った。この問題は、凝縮系物理学における最大の難問の１つとして知られ、その起源についてさまざまな説が提案され、長年論争が続いてきた。論争に決着がつかない理由は、粘性が何桁にもわたって増大している間、液体の構造は乱雑なままで、その構造はほぼ変化していないように見える点にある。ガラス転移は、「液体から固体になる」という意味では、不規則な構造から一気に規則的な構造に変化する結晶化と似た現象ではあるものの、構造的な変化では大きく異なっている。
同研究グループは、乱雑な液体構造の中に隠された、遅いダイナミクスの起源となる特殊な構造的特徴を捉えるため、新たな方法を考案した。まず、その構造を特徴づけるため「局所的なパッキング能が高い粒子配置が最も安定的で粒子が動きにくいはずである」との考えに基づき、それを定量化した。さらに、この構造がダイナミクスを支配する方法は、ある粒子の周りの構造が直接その場所の粒子の動きやすさを決定しているわけではなく、ある特徴的な長さスケールでの構造の平均が、その領域での粒子の動きやすさを決定していること発見した。このように、液体の静的な構造が液体を構成する粒子の動きやすさを支配しているということは、液体状態からガラス状態への転移が、粒子が込み合って遅くなるといったような現象ではなく、何らかの動きにくい粒子配置（構造）の発達をともなう熱力学的な現象であることを強く示唆している。また、上記の構造的特徴は、従来の液体論で用いられてきた二粒子間の距離の情報（二体相関）では、記述不可能な複数粒子の配置の関係性（多体相関）を反映しており、過冷却液体の理解には、従来の液体論の枠を超え、多体相関を考慮することが重要であることを示唆している。本研究成果は、長年の謎であったガラス転移起源の解明に大きな進展を与えることが期待される。
本研究成果は２０１８年３月１４日（米国時間）に米国物理学会誌「Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｘ」のオンライン速報版で公開された。
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Journal
Physical Review X