ガラスおよび高温ガラス融体の中距離構造とダイナミクス

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 10450332
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 横尾 俊信 京都大学, 化学研究所, 教授 (90158353)
• 研究分担者: 金 基孫 京都大学, 化学研究所, 教務職員 (30303895) ; 高橋 雅英 京都大学, 化学研究所, 助手 (20288559) ; 内野 隆司 京都大学, 化学研究所, 助教授 (50273511)
• キーワード: 高温X線回折 / ガラス融体 / ガラス構造 / 短距離秩序 / 中距離秩序 / 動径分布解析 / Unixプログラム / 分子動力学

研究概要

本研究では典型的なガラスフォーマーではなく、条件付きガラスフォーマー(ノンコンベンショナルガラス)の融体構造を高温X線回折により調べる。ノンコンベンションナルガラスは、ある特定の範囲でのみガラス化するわけであるが、溶融状態ではガラス化範囲を越えて構造を調べることができる。その結果、ガラス化する組成とガラス化しない組成の構造の比較からガラス化の成因を明らかにし、ひいてはガラス構造の本質に迫ることができるものと期待される。高温X線動径分布解析により短距離ならびに中距離構造に関する情報を求め、融体ならびにガラスの構造を解明する。
本年度は我々の研究室に既に設置されているリガクのRINT-1200SX線回折装置に、本年度購入したリガクの試料高温装置を装着し、測定が行えるようにした。さらに、測定したデータを解析するプログラムを開発した。具体的には、UnixプログラムでC言語を用いて非常に汎用性の高い解析プログラムを作成した。次いで、実際に16Na_2O・10CaO・74SiO_2高温ガラス融体に対して予備実験を行った。解析プログラムはほぼ完全に働くことが分かった。
16Na_2O・10CaO・74SiO_2ガラス融体(1500℃)の構造をX線動径分布解析により調べる手法を確立した。フルヤ金属社製ZrO_2分散FKS16 Pt-10%Rhリボンヒーターを用いることにより1500℃という高温でも安定して測定ができることを確認した。得られた結果は以下の通りである。ガラスおよび融体の動径分布関数を比較した結果、第一配位圏Si-O距離と第二配位圏Si-Si距離およびそれらの分布にはほとんど変化は認められなかった。分子動力学計算もこの結果を支持した。分子動力学計算からNa-OおよびCa-O距離の分布が融体では著しく広がることが分かった。特に、その傾向はNa-O結合において顕著であった。すなわち、ソーダ石灰シリケートガラスの熱膨脹は、主としてNa-O結合の非調和振動により支配されている。本研究で得られる動径分布解析から明らかとなる融体構造についての知見は、(1)そのガラスのフラジリティが分かることから操業条件について重要な情報を提供してくれることになり、産業分野への波及効果は大きい、(2)ガラス融体のその他の物性値の解釈に際して重要な指針となる、という点で意味がある。

研究成果

• [文献書誌] T.Uchino: "Structure and Vibrational Properties of Sodium Disilicate Glass from Ab Initio Molecular Orbital Calculations"J. Phys. Chem.. 102. 8372-8378 (1998)
• [文献書誌] T.Uchino: "Sodium and Lithium Environments in Single and Mixed Alkali Silicate Glasses. An Ab Initio Molecular Orbital Study"J. Phys. Chem.. 103. 1854-1858 (1999)
• [文献書誌] S.Sakida: "1.^<125>Te NMR Study of Tellurite Crystals"J. Non-Cryst. Solids. 243. 1-12 (1999)
• [文献書誌] S.Sakida: "2.^<125>Te NMR Study of M_2O-TeO_2 (M=Li, Na, K, Rb and Cs) Glasses"J. Non-Cryst. Solids. 243. 13-25 (1999)
• [文献書誌] T.Uchino: "Structure, Energies, and Vibrational Properties of Silica Rings in SiO_2 Glass"Pys. Rev., B. 61. 234-240 (2000)
• [文献書誌] T.Uchino: "Structure and Formation Mechanism of GeE' Center from Divalent Defects in Gedoped SiO_2 Glass"Pys. Rev. Lett.. 84. 1475-1478 (2000)
• [文献書誌] S.Sakida: "^<125>Te NMR Study of MO-TeO_2 (M=Mg, Zn, Sr, Ba and Pb) Glasses ^<125>Te NMR Study of MO-TeO_2(M=Mg,Zn,Sr,Ba and Pb) Glasses"J. Ceram. Soc. Jpn.. 107. 395-402 (1999)