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、ガラス転移点近傍で液体のダイナミクスが急激に遅くなり、粘性が何桁にもわたって増大する現象の物理的起源を探るべく研究を行った。この問題は、凝縮系物理学の最大の難問の一つとして知られ、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。その最大の謎は、粘性の何桁にもわたる増大にも関わらず、Ｘ線散乱などの一般的な構造解析で液体の構造を見ると、その構造はほとんど変化しないように見えるという点にある。これは、同じように液体から固体になる現象でありながら、乱雑な構造から一気に規則的な構造に変化する結晶化の場合とは大きく異なる。
同研究グループは、乱雑な液体の構造の中に潜む、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に新たな方法を考案した。まず、その構造を特徴づけるために、同グループが過去に導入した「局所的なパッキング能が高い粒子配置構造」に熱揺らぎの効果を取り入れた量Ｘが、ダイナミクスを制御する温度や圧力と比例関係にあることを見出した。さらに、その量Ｘにより、球対称のポテンシャルで相互作用するさまざまな２次元、３次元液体のダイナミクスを、系によらず統一的に記述できることを発見した。
このように液体の静的な構造がダイナミクスを支配しているということは、ガラス転移は、純粋に動的な現象ではなく、熱力学的な因子が液体のダイナミクスの重要な支配因子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）では記述不可能な多粒子間の相関（多体的相関）を反映しており、過冷却液体の理解には、従来の液体に関する理論の枠を超え、多体相関を考慮することが重要であることを強く示唆している。本研究の成果は、長年の謎であったガラス転移の起源の解明に大きなインパクトを与えるものと期待される。
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本成果は２０１９年１２月６日（イギリス時間）に「Nature Communications」のオンライン速報版で公開される。
Journal
Nature Communications