ネットワーク断片化がもたらす酸化物ガラスの特異な物性と構造

• 研究課題/領域番号: 20H02429
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分26020:無機材料および物性関連
• 研究機関: 弘前大学
• 研究代表者: 増野 敦信 弘前大学, 理工学研究科, 教授 (00378879)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円); 2022年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円); 2021年度: 7,410千円 (直接経費: 5,700千円、間接経費: 1,710千円); 2020年度: 7,150千円 (直接経費: 5,500千円、間接経費: 1,650千円)
• キーワード: 無容器法 / 高弾性率 / 高屈折率 / 熱伝導率 / 磁気光学効果 / 赤外透過 / ガラス構造解析 / 孤立BO4 / 高硬度ガラス / 希土類モリブデン酸塩ガラス / XAFS / 希土類ガラス / 高硬度 / 構造解析 / 熱拡散率 / ガラス形成則

研究開始時の研究の概要

これまでガラス化しないと思われていた，網目形成酸化物が極端に少ない組成域において，無容器法でガラスを合成する．ネットワークが断片化しているこれらのガラスの構造を，実験と計算を組み合わせた先進的構造解析手法によって，短距離だけでなく中距離まで包含する階層的視点から理解し，ガラス形成メカニズムを解明する．またネットワーク断片化が誘起する特異な物性（光学特性，機械特性，電気特性，溶出性）を見いだし，構造との相関を原子レベルで明らかにする．本研究は，ネットワーク断片化ガラスが，従来型ネットワークガラスとは異なる新しいカテゴリーに属することを明確にし，ガラス科学の再定義と領域拡大を成し遂げるものである．

研究成果の概要

本研究では無容器法を用いることで，SiO2やB2O3などの網目形成酸化物が少ない様々な組成系において，ネットワークが断片化されたガラスの新規合成に成功した．多様な実験と計算を併用した構造解析によって，これらのガラス中には，一般的なガラス中では頂点共有ネットワークを形成している成分が，完全に断片化され孤立化していることを確認した．結晶構造との類似性から，これらのガラス形成は，最密充填構造からのわずかな「ずれ」に起因していると提案した．一般的なガラスを凌駕する優れた特性（赤外透過性，高熱伝導率，高弾性率，大きな磁気光学効果）を示すガラスも多く見出すことができた．

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究において多種多様なネットワーク断片化ガラスの合成に成功したことは，こうしたガラスが特殊な例外ではなく，一般的な従来型ネットワークガラスの組成を拡張した領域に存在することを示している．ネットワークが断片化されたことで，より結晶に近い原子配列をとりやすくなったが，逆にガラス形成能が上がったという結果から，結晶のような最密充填構造からのずれが，長距離秩序を失わせ，ガラス形成に至ったという新たなメカニズムを提案した．ネットワーク断片化ガラスで見られた高い弾性率，熱伝導率，赤外透過性，磁気光学効果は，従来型のガラスでは想定できないレベルであり，基礎だけでなく応用の観点からも重要な成果が得られた．

研究成果

• [国際共同研究] Aalborg University(デンマーク)
• [雑誌論文] Functionalities in unconventional oxide glasses prepared using a levitation technique (2022)
  • 著者名/発表者名: A. Masuno
  • 雑誌名: Journal of the Ceramic Society of Japan 巻: 130 号: 8 ページ: 563-574
  • DOI: 10.2109/jcersj2.22073
  • ISSN: 1348-6535, 1882-0743
  • 年月日: 2022-08-01
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Composition dependence of the local structure and transparency of Gd₂O₃–B₂O₃ binary glasses prepared via aerodynamic levitation (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Sasaki, A. Masuno
  • 雑誌名: Journal of the Ceramic Society of Japan 巻: 130 号: 1 ページ: 60-64
  • DOI: 10.2109/jcersj2.21124
  • NAID: 130008139224
  • ISSN: 1348-6535, 1882-0743
  • 年月日: 2022-01-01
  • 査読あり
• [雑誌論文] Recovery of Se, Zr, Pd, and Cs from simulated high-level radioactive waste glass through phase separation (2022)
  • 著者名/発表者名: H. Inoue, Y. Watanabe, J. Chung, K. Kizaki, A. Masuno
  • 雑誌名: International Journal of Applied Glass Science 巻: 13 号: 4 ページ: 501-513
  • DOI: 10.1111/ijag.16600
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Structure of Densely Packed Oxide Glasses Prepared Using a Levitation Technique (2022)
  • 著者名/発表者名: A. Masuno
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 91 号: 9 ページ: 91003-91003
  • DOI: 10.7566/jpsj.91.091003
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Densification in transparent SiO2 glasses prepared by spark plasma sintering (2022)
  • 著者名/発表者名: H. Masai, H. Kimura, N. Kitamura, Y. Ikemoto, S. Kohara, A. Masuno, Y. Fujii, T. Miyazaki, T. Yanagida
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1 ページ: 14761-14761
  • DOI: 10.1038/s41598-022-18892-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Structure of AlPO4.AlF3.CaF2.BaF2 fluorophosphate glass (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Inoue, Y. Yanaba, Y. Watanabe, A. Masuno
  • 雑誌名: Physics and Chemistry of Glasses - European Journal of Glass Science and Technology Part B 巻: 62 ページ: 105-112
  • 査読あり
• [雑誌論文] Optical properties of novel oxyfluoride glasses on the systems of LaF3-LaO3/2-NbO5/2 and LaF3-LaO3/2-NbO5/2-AlO3/2 (2021)
  • 著者名/発表者名: Chung Jaeyeop、Inoue Hiroyuki、Yoshimoto Kohei、Masuno Atsunobu、Watanabe Yasuhiro
  • 雑誌名: Journal of the American Ceramic Society 巻: 104 号: 8 ページ: 3963-3972
  • DOI: 10.1111/jace.17795
  • 査読あり
• [雑誌論文] First-principles molecular dynamics simulation study on Ti4+ ion in aqueous sulfuric acid (2021)
  • 著者名/発表者名: Choe Yoong-Kee、Tsuchida Eiji、Tokuda Kazuya、Otsuka Jun、Saito Yoshihiro、Masuno Atsunobu、Inoue Hiroyuki
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 11 ページ: 035224-035224
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] An XAFS study of the local structure of Eu³⁺ ions in glasses prepared by a levitation technique (2020)
  • 著者名/発表者名: INOUE Hiroyuki、MASUNO Atsunobu、SAITO Atsuki、WATANABE Yasuhiro、TOKUDA Kazuya、SAITO Yoshihiro、IIHARA Junji
  • 雑誌名: Journal of the Ceramic Society of Japan 巻: 128 号: 5 ページ: 279-283
  • DOI: 10.2109/jcersj2.20043
  • NAID: 130007839523
  • ISSN: 1348-6535, 1882-0743
  • 年月日: 2020-05-01
  • 査読あり
• [雑誌論文] Accurate Synchrotron Hard X-ray Diffraction Measurements on High-Temperature Liquid Oxides (2020)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: International Journal of Microgravity Science and Application 巻: 37 号: 2 ページ: 370202
  • DOI: 10.15011/jasma.37.2.370202
  • NAID: 130007838458
  • ISSN: 2188-9783
  • 年月日: 2020-04-30
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Structure and properties of densified silica glass: characterizing the order within disorder (2020)
  • 著者名/発表者名: Y. Onodera, S. Kohara, P. S. Salmon, A. Hirata, N. Nishiyama, S. Kitani, A. Zeidler, M. Shiga, A. Masuno, H. Inoue, et al.
  • 雑誌名: NPG Asia Materials 巻: 12 号: 1 ページ: 85-85
  • DOI: 10.1038/s41427-020-00262-z
  • NAID: 120006950593
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Revealing Spatial Distribution of Al-Coordinated Species in a Phase-Separated Aluminosilicate Glass by STEM-EELS (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Liao, A. Masuno, A. Taguchi, H. Moriwake, H. Inoue, and T. Mizoguchi
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. Lett. 巻: 11 号: 22 ページ: 9637-9642
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c02687
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Influence of modifier cations on the local environment of aluminum in La2O3-Al2O3 and Y2O3-Al2O3 binary glasses (2020)
  • 著者名/発表者名: Watanabe Yasuhiro、Masuno Atsunobu、Inoue Hiroyuki、Yanaba Yutaka、Kato Katsuyoshi
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 22 号: 35 ページ: 19592-19599
  • DOI: 10.1039/d0cp02778b
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural Origin of Additional Infrared Transparency and Enhanced Glass-Forming Ability in Rare-Earth-Rich Borate Glasses without B-O Networks (2020)
  • 著者名/発表者名: Sasaki Shunta、Masuno Atsunobu、Ohara Koji、Yanaba Yutaka、Inoue Hiroyuki、Watanabe Yasuhiro、Kohara Shinji
  • 雑誌名: Inorganic Chemistry 巻: 59 号: 19 ページ: 13942-13951
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.0c01567
  • 査読あり
• [雑誌論文] Principal Vibration Modes of the La2O3-Ga2O3 Binary Glass Originated from Diverse Coordination Environments of Oxygen Atoms (2020)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry B 巻: 124 号: 24 ページ: 5056-5066
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c02147
  • 査読あり
• [雑誌論文] Very sharp diffraction peak in nonglass-forming liquid with the formation of distorted tetraclusters (2020)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: NPG Asia Materials 巻: 12 号: 1 ページ: 43-43
  • DOI: 10.1038/s41427-020-0220-0
  • NAID: 120006848368
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Real-Space Mapping of Oxygen Coordination in Phase-Separated Aluminosilicate Glass: Implication for Glass Stability (2020)
  • 著者名/発表者名: K. Liao, M. Haruta, A. Masuno, H. Inoue, H. Kurata, and T. Mizoguchi, Y. Ikuhara
  • 雑誌名: ACS Applied Nano Materials 巻: 3 号: 6 ページ: 5053-5060
  • DOI: 10.1021/acsanm.0c00196
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 構造解析に関する分析法 (2023)
  • 著者名/発表者名: 増野敦信
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2023年年会
  • 招待講演
• [学会発表] 無容器法によって作製した Tb4O7-Al2O3ガラスの放射線応答特性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 竹渕優馬，増野敦信，加藤匠，中内大介，河口範明，柳田健之
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2023年年会
• [学会発表] 放電プラズマ焼結による Al2O3-SiO2二元系セラミックスの作製 (2023)
  • 著者名/発表者名: 小田桐汐里，増野敦信
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2023年年会
• [学会発表] Ce 添加 xLu2O3-(100-x)SiO2 (x = 35, 40, 45) ガラスの放射線誘起蛍光特性評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 福嶋宏之，中内大介，加藤匠，河口範明，柳田健之，増野敦信
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2023年年会
• [学会発表] Siliceous zeolite における室温圧縮による高密度化と構造緩和 (2023)
  • 著者名/発表者名: 正井博和，小原真司，脇原徹，柴崎裕樹，小野寺陽平，増野敦信，助永壮平，尾原幸治，酒井雄樹，東正樹
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2023年年会
• [学会発表] ZrO2または MgO を添加した三元系ムライトガラスの構造と機械特性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 佐藤宇應，増野敦信，簗場豊，井上博之
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2023年年会
• [学会発表] La2O3-Ga2O3-Al2O3 系ガラスの構造と物性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 波多野昇平，増野敦信，簗場豊，井上博之
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2023年年会
• [学会発表] 無容器浮遊法が拓く新しいガラスの科学 (2022)
  • 著者名/発表者名: 増野敦信
  • 学会等名: 大阪大学大学院基礎工学研究科物性物理工学領域 固体物理セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 無容器法で合成した高充填密度ガラスの機能と構造 (2022)
  • 著者名/発表者名: 増野敦信
  • 学会等名: 応用物理学会 極限的励起状態の形成と量子エネルギー変換研究グループ 第7回研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Functionalities in unconventional oxide glasses prepared using a levitation technique (2022)
  • 著者名/発表者名: A. Masuno
  • 学会等名: 化学系学協会東北大会
  • 招待講演
• [学会発表] 無容器法で合成した希土類高含有 La2O3-Y2O3-B2O3三元系ガラスの構造と機械特性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐々木俊太，増野敦信
  • 学会等名: 科研費学術変革領域研究（A）「超秩序構造が創造する物性科学」 第２回若手の学校
• [学会発表] CaO高含有 CaO-Al2O3-P2O5系ガラスの合成と物性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 波多野昇平，増野敦信，簗場豊，井上博之，正井博和
  • 学会等名: 科研費学術変革領域研究（A）「超秩序構造が創造する物性科学」 第２回若手の学校
• [学会発表] Mn添加により青色を呈するアルミネートガラスの合成 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐々木遥菜，増野敦信，簗場豊，井上博之
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第35回秋季シンポジウム
• [学会発表] Lu2O3-SiO2二元系ガラスの物性と構造 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐々木俊太，増野敦信，井上博之，簗場豊
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第35回秋季シンポジウム
• [学会発表] 高充填密度ガラスの物性と構造 (2022)
  • 著者名/発表者名: 増野敦信
  • 学会等名: 科研費学術変革領域研究（A）「超秩序構造が創造する物性科学」 第4回成果報告会
• [学会発表] Lu2O3-SiO2二元系ガラスの物性と構造 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐々木俊太，増野敦信
  • 学会等名: 科研費学術変革領域研究（A）「超秩序構造が創造する物性科学」 第4回成果報告会
• [学会発表] MgO-SiO2系ガラスの熱伝導特性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 阿保健太，増野敦信
  • 学会等名: 令和4年度 日本セラミックス協会 東北北海道支部研究発表
• [学会発表] 結晶とガラスの構造と光触媒活性比較 (2022)
  • 著者名/発表者名: 本間貴大，増野敦信
  • 学会等名: 令和4年度 日本セラミックス協会 東北北海道支部研究発表
• [学会発表] 固体NMRによるLa2O3およびY2O3含有ボレートガラスのB周囲の局所構造解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐々木俊太，増野敦信，簗場豊，井上博之
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第63回ガラスおよびフォトニクス材料討論会
• [学会発表] 無容器法で合成したLa2O3-MoO3系ガラスの物性と構造 (2022)
  • 著者名/発表者名: 棟方咲衣，増野敦信，簗場豊，井上博之
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第63回ガラスおよびフォトニクス材料討論会
• [学会発表] CaO高含有 CaO-Al2O3-P2O5系ガラスの合成と物性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 波多野昇平，増野敦信，簗場豊，井上博之，正井博和
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2022年年会
• [学会発表] 無容器法で合成した希土類高含有 La2O3-Y2O3-B2O3三元系ガラスの構造と機械特性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐々木俊太，増野敦信，井上博之，簗場豊
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2022年年会
• [学会発表] Cr2O3を添加したアルカリ土類高含有リン酸塩ガラスの合成と化学的耐久性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 小林紘宇，増野敦信，簗場豊，井上博之
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2022年年会
• [学会発表] アルミノボロシリケートガラスの構造解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 増野敦信，佐々木俊太，簗場豊，井上博之
  • 学会等名: 日本セラミックス協会ガラス部会放射性廃棄物分科会 第3回放射性廃棄物固化体討論
• [学会発表] 無容器浮遊法が広げるガラスの科学 (2021)
  • 著者名/発表者名: 増野敦信
  • 学会等名: 第52回日本セラミックス協会ガラス部会夏季若手セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Structure of Hard Oxide Glasses prepared by a levitation technique (2021)
  • 著者名/発表者名: A. Masuno
  • 学会等名: Thermec'2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 浮かせて作る超秩序構造ガラス (2021)
  • 著者名/発表者名: 増野敦信
  • 学会等名: 学術変革領域研究（A）「超秩序構造が創造する物性科学」 第１回若手の学校
  • 招待講演
• [学会発表] Structural and Mechanical properties of ZrO2-Al2O3-SiO2 glasses prepared by a levitation technique (2021)
  • 著者名/発表者名: A. Masuno, Y. Mikami, Y. Yanaba, S. Sasaki, H. Inoue
  • 学会等名: 14th Pacific Rim Conference on Ceramic and Glass Technology (PACRIM14) including Glass & Optical Materials Division 2021 Annual Meeting (GOMD2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Physical and structural properties of rare-earth-rich borate glasses (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Sasaki, A, Masuno, Y. Yanaba, K. Ohara, H. Inoue, Y. Watanabe
  • 学会等名: 14th Pacific Rim Conference on Ceramic and Glass Technology (PACRIM14) including Glass & Optical Materials Division 2021 Annual Meeting (GOMD2021)
  • 国際学会
• [学会発表] R2O3-SiO2 (R = Sc, Y, La)二元系ガラスの物性と構造 (2021)
  • 著者名/発表者名: 吉田健太，増野敦信，佐々木俊太，簗場豊，井上博之
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第62回ガラスおよびフォトニクス材料討論会
• [学会発表] 無容器法で合成した Al2O3-SiO2-ZrO2ガラスの機械特性と構造解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 増野敦信，三上優希，簗場豊，井上博之
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第34回秋季シンポジウム
• [学会発表] Bi2O3-SiO2ガラスの第三成分添加による構造と誘電特性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 吉田健太，増野敦信，谷口博基，簗場豊，井上博之
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第34回秋季シンポジウム
• [学会発表] Gd2O3-B2O3および Y2O3-B2O3二元系ガラスの構造と物性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 佐々木俊太，増野敦信，井上博之，簗場豊
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第34回秋季シンポジウム
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 増野敦信
  • 学会等名: 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-
  • 招待講演
• [学会発表] 亜鉛を含む模擬ガラス固化体の局所構造解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 増野敦信，三浦吉幸，兼平憲男，岡本芳浩，簗場豊，井上博之
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2021年年会
• [学会発表] Bi2O3-SiO2-Al2O3ガラスの構造と誘電特性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 吉田健太，増野敦信，簗場豊，井上博之
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2021年年会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 熊谷賢人，増野敦信，簗場豊，井上博之
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2021年年会
• [学会発表] 希土類ボレートガラスの構造と機械特性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 佐々木俊太，増野敦信，簗場豊，井上博之
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2021年年会
• [学会発表] Structural analyses of nuclear waste glasses in Japan (2020)
  • 著者名/発表者名: A. Masuno
  • 学会等名: Glass Meeting 2020
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Bi2O3-SiO2-Al2O3ガラスの構造と物性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 吉田健太，増野敦信，簗場豊，井上博之
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第33回秋季シンポジウム
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 佐々木俊太，増野敦信，尾原幸治
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第33回秋季シンポジウム
• [備考] 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
• [備考] 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/
• [備考] 【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
• [備考] 【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
• [産業財産権] ガラス材 (2021)
  • 発明者名: 増野敦信，鈴木太志，佐藤史雄
  • 権利者名: 弘前大学，日本電気硝子株式会社
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2021-151949
  • 出願年月日: 2021