2021 Fiscal Year Annual Research Report
Surface Tension Modelling of Molten Oxides based on Relaxation Mechanism of Surface Ionic Structure
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21H01683
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
鈴木 賢紀 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (20610728)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 表面イオン構造緩和 / 架橋酸素イオン / Polarizable Ion Model / 斜入射X線広角散乱 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
溶融酸化物の表面張力は、金属・ガラスの製造における操業安定性や品質精度を左右する重要な物性であるが、制御が非常に難しい。表面張力の値を大幅に変化させる表面イオン構造緩和の実態が未解明であり、表面構造の緩和が表面張力に及ぼす影響を定量化することが未踏の課題である。
本研究の目的は、表面に特化した構造解析によって、溶融酸化物の表面構造緩和の実態を明らかにすること、および表面構造緩和の各要素が表面張力に及ぼす影響度を定量的に評価し、溶融酸化物の表面張力の予測式を新たに構築することである。
本年度はまず、溶融酸化物の表面緩和後の表面イオン配位構造の特徴を捉える軟X線分光を実施するためのガラス試料の作製装置を試作した。酸化物試料をガスジェット流によって無容器で浮遊させ、レーザを照射して試料を局所加熱することで溶融混合させ、かつ急冷することの可能な装置であり、融体構造を維持したガラス試料の作製ができることを確認した。
次に、イオン間に働く分極作用を考慮したPolarizable Ion Modelによる分子動力学計算によって、Al2O3-CaO系溶融酸化物の表面張力を支配する表面イオン配位構造の解析を行った。1万個程度の原子系を扱い、Al2O3／CaO組成比を種々変えて、表面を含む系に対するイオン構造シミュレーションを行った結果、Al2O3濃度が低いほど表面と内部でイオン配位構造の違いが顕著であり、表面にはAlイオンがやや偏析して、Al-O間で共有結合性の強い結合を生じるAlO4配位構造を形成し易いことがわかった。したがって、短距離範囲における表面イオン構造緩和の主要なメカニズムを見出すことができた。
さらに、SPring-8にて溶融酸化物の表面へX線を斜入射して広角散乱プロファイルを測定する実験を行い、中距離範囲における表面と内部のイオン配列状態の差異を定量評価できる手法を新たに構築できた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
軟X線分光分析のための酸化物ガラス試料作製装置の試作について、試料を浮遊させるためのガス流入条件と、浮遊した試料に対するレーザ照射条件の最適化が困難であったため、想定よりも長い時間を要したが、空気中で高融点の酸化物を溶融させガラス化する装置系を試作することができた。また、Al2O3-CaO系融体を対象とした分子動力学計算により、イオン間の分極作用を考慮した上で、組成比が種々異なる場合の表面イオン構造のシミュレーションを実行し、表面イオン構造緩和の一端と見られる表面特有の配位構造の形成を見出すことができた。さらに、斜入射X線を利用した広角X線散乱によって、溶融酸化物の表面と内部における中距離範囲でのイオン配列の違いを直接的に捉える手法を新たに構築することができた。これらは当初予定していた計画通りの成果であり、研究は概ね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後はまず、本年度に試作した酸化物ガラス試料作製装置を用いて組成比の種々異なる高融点の酸化物ガラス試料を作製し、表面構造緩和を促すための熱処理を行った後に軟X線分光分析に供することによって、ガラス（融体と近似する）の表面領域における酸素、陽イオン種の配位状態の解析を順次行う。これにより、融体の表面で緩和が生じた後の短距離範囲におけるイオン配位構造の特徴を分光学的に捉える。
また、斜入射X線を利用した広角X線散乱測定によって、融体表面のイオン配列状態を反映した構造プロファイルを取得し、溶融酸化物の中距離範囲における表面イオン構造緩和の実態を捉える。
これらと並行して、イオン間の分極作用を考慮した分子動力学計算によって溶融酸化物の表面領域におけるイオン配位構造のシミュレーションを実施し、表面イオン構造緩和を特徴づけるイオン配位構造を抽出する。抽出したイオン配位構造に対して、分光スペクトルのシミュレーションを行い、上記の軟X線分光分析の結果と照合することで、表面イオン構造緩和を示唆する短距離範囲のイオン配位構造を特定する。さらに、散乱プロファイルのシミュレーションも行い、広角X線散乱の測定結果と照合することによって、表面イオン構造緩和の結果生じる中距離範囲のイオン配列を特定する。
特に、共有結合性の強い結合により架橋酸素イオンを単独で形成するSiO2やB2O3といった酸性酸化物の存在が表面イオン構造に及ぼす影響に注目して上記の研究を実施し、架橋酸素イオンの形成が表面イオン構造緩和の支配因子となる可能性を検証する。
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