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

• 研究領域: ハイエントロピー合金：元素の多様性と不均一性に基づく新しい材料の学理
• 研究課題/領域番号: 19H05163
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 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, 准教授 (00378879)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 9,360千円 (直接経費: 7,200千円、間接経費: 2,160千円); 2020年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円); 2019年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
• キーワード: 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

研究開始時の研究の概要

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．

研究実績の概要

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．

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Aalborg University(デンマーク)
• [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 号: 3 ページ: 035224-035224
  • DOI: 10.1063/5.0038061
  • 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
• [雑誌論文] Microstructural effects on hardness and optical transparency of birefringent aluminosilicate nanoceramics (2020)
  • 著者名/発表者名: Gaida Nico A.、Nishiyama Norimasa、Beermann Oliver、Schurmann Ulrich、Masuno Atsunobu、Giehl Christopher、Niwa Ken、Hasegawa Masashi、Bhat Shrikant、Farla Robert、Kienle Lorenz
  • 雑誌名: International Journal of Ceramic Engineering & Science 巻: 2 号: 2 ページ: 76-82
  • DOI: 10.1002/ces2.10036
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: 井上博之，馬田拓実，増野敦信
  • 雑誌名: NEW GLASS 巻: 1 ページ: 3-7
• [雑誌論文] Understanding diffraction patterns of glassy, liquid and amorphous materials via persistent homology analyses (2019)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Journal of the Ceramic Society of Japan 巻: 127 号: 12 ページ: 853-863
  • DOI: 10.2109/jcersj2.19143
  • NAID: 130007755063
  • ISSN: 1348-6535, 1882-0743
  • 年月日: 2019-12-01
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High refractive index La-rich lanthanum borate glasses composed of isolated BO3 units (2019)
  • 著者名/発表者名: Masuno Atsunobu、Iwata Takashi、Yanaba Yutaka、Sasaki Shunta、Inoue Hiroyuki、Watanabe Yasuhiro
  • 雑誌名: Dalton Transactions 巻: 48 号: 29 ページ: 10804-10811
  • DOI: 10.1039/c9dt01715a
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ultrahigh pressure structural changes in a 60 mol. % Al2O3?40 mol. % SiO2 glass (2019)
  • 著者名/発表者名: Ohira I.、Kono Y.、Shibazaki Y.、Kenney-Benson C.、Masuno A.、Shen G.
  • 雑誌名: Geochemical Perspectives Letters 巻: 10 ページ: 41-45
  • DOI: 10.7185/geochemlet.1913
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [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
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 大矢智貴，増野敦信，小野寺陽平
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2020年年会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 松谷朋治，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2020年年会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 泉智，増野敦信
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2020年年会
• [学会発表] Crack-resistant and High Elastic Modulus Oxide Glasses Prepared by a Levitation Technique (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Masuno
  • 学会等名: Materials Research Meeting 2019 (MRM 2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 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60回ガラスおよびフォトニクス材料討論会
• [学会発表] Al2O3-SiO2-ZrO2系ガラスの構造と機械特性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 三上優希，増野敦信，簗場豊，肥後祐司，井上博之
  • 学会等名: 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
• [学会発表] Control of Refractive Index Dispersion of High Refractive Index Glasses Prepared by a Levitation Technique (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Masuno, Y. Okamura, H. Inoue, Y. Watanabe, Y. Yanaba
  • 学会等名: 14th International Conference on The Structure of Non-crystalline Materials (NCM14)
  • 国際学会
• [学会発表] Mechanical properties of Al2O3-Ta2O5-MxOy (MxOy = Nb2O5, Ga2O3, or Y2O3) glasses prepared by a levitation technique (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Mikami, A. Masuno, Y. Yanaba, H. Inoue
  • 学会等名: The 13th Pacific Rim Conference of Ceramic Societies (PACRIM13)
  • 国際学会
• [学会発表] High refractive index with low wavelength dispersion of La2O3-rich La2O3-B2O3-Nb2O5 glasses prepared by a levitation technique (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Masuno, Y. Yanaba, S. Sasaki, H. Inoue
  • 学会等名: The 13th Pacific Rim Conference of Ceramic Societies (PACRIM13)
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 増野敦信，三上優希
  • 学会等名: 日本材料学会第5回材料WEEK
• [学会発表] Physical and structural properties of MgO-SiO2-PO5/2 invert glasses prepared by a levitation technique (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Masuno, S. Sasaki, Y. Yanaba, H. Inoue
  • 学会等名: 25th International Congress on Glass (ICG 2019)
  • 国際学会
• [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
• [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