image: Scientists at The University of Tokyo study aluminosilicate glass to determine its complex local structure with unprecedented detail. This work may lead to tougher and more inexpensive glass for touchscreens and solar arrays view more
Credit: Institute of Industrial Science, the University of Tokyo
東京大学 生産技術研究所の溝口 照康 教授、Liao Kunyen大学院生、井上 博之 教授、ファインセラミックスセンター ナノ構造研究所の森分 博紀 グループ長、田口 綾子 研究員、弘前大学 大学院理工学研究科の増野 敦信 准教授の研究グループは、ガラスを構成する原子の配位数をナノメートルレベルの高い空間分解能で可視化することに成功しました。
窓ガラスや、スマートフォンのディスプレイ、さらに光ファイバーケーブルなど、ガラス材料はわれわれの生活に欠かすことができません。ガラスの機能はガラスを構成する原子の周辺環境に強く依存しますが、ガラスがアモルファスという複雑な構造を有しているため、ガラスの中の原子がどのような状態で存在しているのかは明らかにされていませんでした。これまでの研究では、ガラス中に存在する原子の平均的な環境についての情報を得ることはできましたが、特定の場所の原子の周りにいくつの原子が存在するのかといった、局所的な配位数を解析することは不可能でした。
今回の研究では、アルミニウムとシリコンで構成されているガラスから、電子エネルギー損失分光法（EELS）というスペクトルデータを計測しました。一般的にアルミニウムは６個の酸素に囲まれやすく（配位数＝６）、シリコンは４個の酸素に囲まれやすい（配位数＝４）特性があることが知られています。また、今回の研究で試料としたガラスでは、アルミニウムが多い領域とシリコンが多い領域が共存していることがあらかじめ分かっていました。
そのようなガラスから得られたEELS を、励起状態が計算できるシミュレーション法を使用して解析しました。その結果、実験で測定されたスペクトルのなかに、アルミニウムの配位数の情報が含まれていることを明らかにしました。
また、EELS は、高い空間分解能を有する走査透過型電子顕微鏡（STEM）を用いて測定されますが、電子線をガラス上で走査して各点でのスペクトルを測定し、それぞれのスペクトルデータの中にある配位数の情報を調べることで、アルミニウムの配位数のマップを得ることにも成功しました。
配位数マップを解析した結果、アルミニウムが多い領域とシリコンが多い領域とではアルミニウムの配位数が異なることが明らかになりました。アルミニウムが多い領域ではアルミニウムは６配位ですが、シリコンが多い領域ではアルミニウムが４配位を形成していました。本来６配位を形成しやすいアルミニウムが周辺に多く存在するシリコンの影響を受けて４配位を形成したと考えられます。 ガラスは、我々の身近な生活にあるものの、ガラスが有しているアモルファスという構造は分からないことが多くありました。今回開発した手法では、未知のベールに隠されていたアモルファス構造の解明に一歩近づいたといえます。本手法をガラス開発に利用することで、新しいガラス材料の開発を加速できると期待されます。
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Journal
The Journal of Physical Chemistry Letters