等比多成分酸化物ガラスにおける多重協奏的配位数変化による高クラック耐性の獲得

• Project Area: High Entropy Alloys - Science of New Class of Materials Based on Elemental Multiplicity and Heterogeneity
• Project/Area Number: 19H05163
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Hirosaki University
• Principal Investigator: 増野 敦信 弘前大学, 理工学研究科, 准教授 (00378879)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000); Fiscal Year 2020: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2019: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
• Keywords: ムライトガラス / 無容器法 / 高弾性率 / 高硬度 / ガラス形成則 / 弾性率 / ハイエントロピー / アルミノボレートガラス / 高充填ガラス / ハイエントロピーガラス / ガラス構造

Outline of Research at the Start

本研究の目的は，これまでに我々が開発してきた高硬度ガラスに対して，割れにくさ（高クラック耐性）を付与することで，硬くて割れにくいガラスを合成することである．本研究では，硬さと割れにくさを両立させる新しいメカニズムとして，負荷時における 配位数変化を伴う効率的原子移動とその多重協奏的発現を提案する．また，実験と理論計算を組み合わせた先進的ガラス構造解析によって，実験データをよく再現するハイエントロピー酸化物ガラス構造モデルを構築する．その結果として，提案したメカニズムに最適化された，硬さと割れにくさを両立させたハイエントロピー酸化物ガラスの組成設計指針を確立する．

Outline of Annual Research Achievements

昨年度開発に成功したジルコニアムライトガラス（Al2O3-SiO2-ZrO2三元系）のヤング率は，Al2O3の量を60，50，40 mol%とした各系列では，ZrO2の含有量の増加に伴い大幅に増加したものの，割れにくさの指標であるCrack Resistanceは，ムライトガラスの値と比べて低下していた．ところがムライト組成（Al2O3:SiO2 = 6:4）を固定してZrO2を添加した系では，割れにくさの低下は抑えられる傾向がみえた．詳細はまだ不明であるが，Al，Si，Oの結合様式が割れにくさに影響していると考えている．27Al，29Si MAS NMR，Zr K端，L端XAFSの結果からは，Zrはガラス中では特異的に大きな酸素配位数7をとること，そしてZrO2が増えるほど，AlもSiも配位数が増加し，もともと密な構造がさらに密になっていることがわかった．
またガーネット組成であるCa3Sc2Si3O12を中心に，幅広い領域でガラス化に成功した．興味深いのはSiO2が30 mol%と少ない組成でも，CaOとSc2O3を混合することでガラス化していることである．Siに対してOの数が4以上の組成では酸素が過剰であり，SiO4の頂点共有によるネットワークは断片化が進むため，ガラス形成能は低くなるという予想に反した結果である．Caを別のアルカリ土類元素にしたり，ScをYやLuなどの希土類元素に変えたりしても容易にガラス化した．これらのガラスのヤング率は，約130 GPaと比較的大きな値であったが，ムライトガラスよりも割れやすかった．
今年度はこれら以外にも数多くの新しいガラスを開発することができた．いずれも多成分化することでガラス形成能が格段に向上していた．一般的なガラスの2倍に達する硬さも実現したが，割れにくさはやや抑えられる結果となった．

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Aalborg University(デンマーク)
• [Journal Article] First-principles molecular dynamics simulation study on Ti4+ ion in aqueous sulfuric acid (2021)
  • Author(s): Choe Yoong-Kee、Tsuchida Eiji、Tokuda Kazuya、Otsuka Jun、Saito Yoshihiro、Masuno Atsunobu、Inoue Hiroyuki
  • Journal Title: AIP Advances Volume: 11 Issue: 3 Pages: 035224-035224
  • DOI: 10.1063/5.0038061
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] An XAFS study of the local structure of Eu³⁺ ions in glasses prepared by a levitation technique (2020)
  • Author(s): INOUE Hiroyuki、MASUNO Atsunobu、SAITO Atsuki、WATANABE Yasuhiro、TOKUDA Kazuya、SAITO Yoshihiro、IIHARA Junji
  • Journal Title: Journal of the Ceramic Society of Japan Volume: 128 Issue: 5 Pages: 279-283
  • DOI: 10.2109/jcersj2.20043
  • NAID: 130007839523
  • ISSN: 1348-6535, 1882-0743
  • Year and Date: 2020-05-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Accurate Synchrotron Hard X-ray Diffraction Measurements on High-Temperature Liquid Oxides (2020)
  • Author(s): K. Ohara, Y. Onodera, S. Kohara, C. Koyama, A. Masuno, A. Mizuno, J. T. Okada, S. Tahara, Y. Watanabe, H. Oda, Y. Nakata, H. Tamaru, T. Ishikawa, O. Sakata
  • Journal Title: International journal of microgravity science and application Volume: 37 Issue: 2 Pages: 370202
  • DOI: 10.15011/jasma.37.2.370202
  • NAID: 130007838458
  • ISSN: 2188-9783
  • Year and Date: 2020-04-30
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structure and properties of densified silica glass: characterizing the order within disorder (2020)
  • Author(s): Y. Onodera, S. Kohara, P. S. Salmon, A. Hirata, N. Nishiyama, S. Kitani, A. Zeidler, M. Shiga, A. Masuno, H. Inoue, et al.
  • Journal Title: NPG Asia Materials Volume: 12 Issue: 1 Pages: 85-85
  • DOI: 10.1038/s41427-020-00262-z
  • NAID: 120006950593
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Revealing Spatial Distribution of Al-Coordinated Species in a Phase-Separated Aluminosilicate Glass by STEM-EELS (2020)
  • Author(s): K. Liao, A. Masuno, A. Taguchi, H. Moriwake, H. Inoue, and T. Mizoguchi
  • Journal Title: J. Phys. Chem. Lett. Volume: 11 Issue: 22 Pages: 9637-9642
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c02687
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Influence of modifier cations on the local environment of aluminum in La2O3-Al2O3 and Y2O3-Al2O3 binary glasses (2020)
  • Author(s): Watanabe Yasuhiro、Masuno Atsunobu、Inoue Hiroyuki、Yanaba Yutaka、Kato Katsuyoshi
  • Journal Title: Physical Chemistry Chemical Physics Volume: 22 Issue: 35 Pages: 19592-19599
  • DOI: 10.1039/d0cp02778b
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural Origin of Additional Infrared Transparency and Enhanced Glass-Forming Ability in Rare-Earth-Rich Borate Glasses without B-O Networks (2020)
  • Author(s): Sasaki Shunta、Masuno Atsunobu、Ohara Koji、Yanaba Yutaka、Inoue Hiroyuki、Watanabe Yasuhiro、Kohara Shinji
  • Journal Title: Inorganic Chemistry Volume: 59 Issue: 19 Pages: 13942-13951
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.0c01567
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Principal Vibration Modes of the La2O3-Ga2O3 Binary Glass Originated from Diverse Coordination Environments of Oxygen Atoms (2020)
  • Author(s): Yoshimoto Kohei、Masuno Atsunobu、Sato Itaru、Ezura Yoshinobu、Inoue Hiroyuki、Ueda Motoi、Mizuguchi Masafumi、Yanaba Yutaka、Kawashima Tatsunori、Oya Tomoki、Onodera Yohei、Kohara Shinji、Ohara Koji
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 124 Issue: 24 Pages: 5056-5066
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c02147
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Very sharp diffraction peak in nonglass-forming liquid with the formation of distorted tetraclusters (2020)
  • Author(s): C. Koyama, S. Tahara, S. Kohara, Y. Onodera, D. R. Smabraten, S. M. Selbach, J. Akola, T. Ishikawa, A. Masuno, A. Mizuno, J. T. Okada, Y. Watanabe, Y. Nakata, K. Ohara, H. Tamaru, H. Oda, I. Obayashi, Y. Hiraoka, O. Sakata
  • Journal Title: NPG Asia Materials Volume: 12 Issue: 1 Pages: 43-43
  • DOI: 10.1038/s41427-020-0220-0
  • NAID: 120006848368
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Real-Space Mapping of Oxygen Coordination in Phase-Separated Aluminosilicate Glass: Implication for Glass Stability (2020)
  • Author(s): K. Liao, M. Haruta, A. Masuno, H. Inoue, H. Kurata, and T. Mizoguchi, Y. Ikuhara
  • Journal Title: ACS Applied Nano Materials Volume: 3 Issue: 6 Pages: 5053-5060
  • DOI: 10.1021/acsanm.0c00196
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Microstructural effects on hardness and optical transparency of birefringent aluminosilicate nanoceramics (2020)
  • Author(s): Gaida Nico A.、Nishiyama Norimasa、Beermann Oliver、Schurmann Ulrich、Masuno Atsunobu、Giehl Christopher、Niwa Ken、Hasegawa Masashi、Bhat Shrikant、Farla Robert、Kienle Lorenz
  • Journal Title: International Journal of Ceramic Engineering & Science Volume: 2 Issue: 2 Pages: 76-82
  • DOI: 10.1002/ces2.10036
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 第一原理計算からのTiO2を含む結晶とガラスの光学特性 (2020)
  • Author(s): 井上博之，馬田拓実，増野敦信
  • Journal Title: NEW GLASS Volume: 1 Pages: 3-7
• [Journal Article] Understanding diffraction patterns of glassy, liquid and amorphous materials via persistent homology analyses (2019)
  • Author(s): ONODERA Yohei、KOHARA Shinji、TAHARA Shuta、MASUNO Atsunobu、INOUE Hiroyuki、SHIGA Motoki、HIRATA Akihiko、TSUCHIYA Koichi、HIRAOKA Yasuaki、OBAYASHI Ippei、OHARA Koji、MIZUNO Akitoshi、SAKATA Osami
  • Journal Title: Journal of the Ceramic Society of Japan Volume: 127 Issue: 12 Pages: 853-863
  • DOI: 10.2109/jcersj2.19143
  • NAID: 130007755063
  • ISSN: 1348-6535, 1882-0743
  • Year and Date: 2019-12-01
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High refractive index La-rich lanthanum borate glasses composed of isolated BO3 units (2019)
  • Author(s): Masuno Atsunobu、Iwata Takashi、Yanaba Yutaka、Sasaki Shunta、Inoue Hiroyuki、Watanabe Yasuhiro
  • Journal Title: Dalton Transactions Volume: 48 Issue: 29 Pages: 10804-10811
  • DOI: 10.1039/c9dt01715a
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ultrahigh pressure structural changes in a 60 mol. % Al2O3?40 mol. % SiO2 glass (2019)
  • Author(s): Ohira I.、Kono Y.、Shibazaki Y.、Kenney-Benson C.、Masuno A.、Shen G.
  • Journal Title: Geochemical Perspectives Letters Volume: 10 Pages: 41-45
  • DOI: 10.7185/geochemlet.1913
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 無容器法で合成した機能性酸化物ガラスの物性と構造 (2021)
  • Author(s): 増野敦信
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会共催シンポジウム 多様な物質に潜む「超秩序構造」-構造物性研究の新展開-
  • Invited
• [Presentation] 亜鉛を含む模擬ガラス固化体の局所構造解析 (2021)
  • Author(s): 増野敦信，三浦吉幸，兼平憲男，岡本芳浩，簗場豊，井上博之
  • Organizer: 日本セラミックス協会2021年年会
• [Presentation] Bi2O3-SiO2-Al2O3ガラスの構造と誘電特性 (2021)
  • Author(s): 吉田健太，増野敦信，簗場豊，井上博之
  • Organizer: 日本セラミックス協会2021年年会
• [Presentation] A3B2Si3O12ガラス(A:アルカリ土類金属,?B:希土類, Sc, Y)の物性と構造 (2021)
  • Author(s): 熊谷賢人，増野敦信，簗場豊，井上博之
  • Organizer: 日本セラミックス協会2021年年会
• [Presentation] 希土類ボレートガラスの構造と機械特性 (2021)
  • Author(s): 佐々木俊太，増野敦信，簗場豊，井上博之
  • Organizer: 日本セラミックス協会2021年年会
• [Presentation] Structural analyses of nuclear waste glasses in Japan (2020)
  • Author(s): A. Masuno
  • Organizer: Glass Meeting 2020
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Bi2O3-SiO2-Al2O3ガラスの構造と物性 (2020)
  • Author(s): 吉田健太，増野敦信，簗場豊，井上博之
  • Organizer: 日本セラミックス協会第33回秋季シンポジウム
• [Presentation] 無容器法により合成した三次元ネットワークを持たない希土類高含有ボレートガラスの物性と構造 (2020)
  • Author(s): 佐々木俊太，増野敦信，尾原幸治
  • Organizer: 日本セラミックス協会第33回秋季シンポジウム
• [Presentation] 無容器法を用いて合成したLa2O3-Ga2O3系ガラスの機械特性, 誘電特性と構造 (2020)
  • Author(s): 大矢智貴，増野敦信，小野寺陽平
  • Organizer: 日本セラミックス協会2020年年会
• [Presentation] ネットワークが断片化したアルミノリン酸塩ガラスの物性と構造 (2020)
  • Author(s): 松谷朋治，増野敦信，簗場豊，井上博之
  • Organizer: 日本セラミックス協会2020年年会
• [Presentation] 無容器法によって合成した Ba(Ti1-xMx)2O5ガラスの熱処理結晶化過程 (2020)
  • Author(s): 泉智，増野敦信
  • Organizer: 日本セラミックス協会2020年年会
• [Presentation] Crack-resistant and High Elastic Modulus Oxide Glasses Prepared by a Levitation Technique (2019)
  • Author(s): A. Masuno
  • Organizer: Materials Research Meeting 2019 (MRM 2019)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 無容器法により合成した希土類ボレートガラスの物性と構造 (2019)
  • Author(s): 佐々木俊太，増野敦信，尾原幸治
  • Organizer: 日本セラミックス協会第60回ガラスおよびフォトニクス材料討論会
• [Presentation] Al2O3-SiO2-ZrO2系ガラスの構造と機械特性 (2019)
  • Author(s): 三上優希，増野敦信，簗場豊，肥後祐司，井上博之
  • Organizer: 日本セラミックス協会第60回ガラスおよびフォトニクス材料討論会
• [Presentation] Control of Refractive Index Dispersion of High Refractive Index Glasses Prepared by a Levitation Technique (2019)
  • Author(s): A. Masuno, Y. Okamura, H. Inoue, Y. Watanabe, Y. Yanaba
  • Organizer: 14th International Conference on The Structure of Non-crystalline Materials (NCM14)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Mechanical properties of Al2O3-Ta2O5-MxOy (MxOy = Nb2O5, Ga2O3, or Y2O3) glasses prepared by a levitation technique (2019)
  • Author(s): Y. Mikami, A. Masuno, Y. Yanaba, H. Inoue
  • Organizer: The 13th Pacific Rim Conference of Ceramic Societies (PACRIM13)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High refractive index with low wavelength dispersion of La2O3-rich La2O3-B2O3-Nb2O5 glasses prepared by a levitation technique (2019)
  • Author(s): A. Masuno, Y. Yanaba, S. Sasaki, H. Inoue
  • Organizer: The 13th Pacific Rim Conference of Ceramic Societies (PACRIM13)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 無容器法で合成した高硬度アルミネートガラスの物性と構造 (2019)
  • Author(s): 増野敦信，三上優希
  • Organizer: 日本材料学会第5回材料WEEK
• [Presentation] Physical and structural properties of MgO-SiO2-PO5/2 invert glasses prepared by a levitation technique (2019)
  • Author(s): A. Masuno, S. Sasaki, Y. Yanaba, H. Inoue
  • Organizer: 25th International Congress on Glass (ICG 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 弘前大学理工学部物質創成化学科 増野研究室
  • URL: http://www.st.hirosaki-u.ac.jp/~masuno/
• [Remarks] 【プレスリリース】世界一構造秩序のあるガラスの合成と構造解析に成功
  • URL: https://www.hirosaki-u.ac.jp/53218.html
• [Remarks] 【プレスリリース】アモルファス構造の解明に一歩前進 ～原子の配位数を可視化～
  • URL: https://www.hirosaki-u.ac.jp/52240.html
• [Remarks] 弘前大学理工学部物質創成化学科 増野研究室
  • URL: http://www.st.hirosaki-u.ac.jp/~masuno/index.html