ガラス原子配列への秩序度の導入とその制御

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21K18800
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 増野 敦信 京都大学, 工学研究科, 特定教授 (00378879)
• 研究期間 (年度): 2021-07-09 – 2024-03-31
• キーワード: 無容器法 / 還元原子配列

研究実績の概要

本研究は，無容器法によって合成した様々なガラスに対して，「原子配列の秩序度」という概念の導入を，第一の目的としている．新規ガラス組成としてR2O3-SiO2やR2O3-MoO3-WO3（Rは希土類元素あるいはSc）ガラスを見出し，NMRやRaman散乱分光，XAFS，X線回折などにより，これらのガラスの原子配列が結晶に近い高い秩序を有していることを実験的に明らかにした．とくに今年度報告した25La2O3-75MoO3ガラスは，「ほぼ結晶のガラス」として，原子配列だけでなく物性も通常のガラスとは異なるものであった．また，これまでの研究ではR2O3を主成分とするR2O3-B2O3ガラスでは，Bは孤立BO3としてのみ存在しているとしていたが，孤立BO3だけでなく孤立BO4の存在を強く示唆する実験結果を得た．そして孤立BO4の存在割合は，希土類イオンのイオン半径に強く依存していた．これらのガラスではイオン性が高く，酸化物イオンや希土類イオンの充填密度が高い．これを表現するための手法として，本研究では還元原子配列（Reduced Atomic Arrangement: RAA）マップを用いている．研究期間を通じてソフトウェア開発と論文執筆が進められた結果，MDシミュレーションなどで作製した三次元構造モデルから，RAAマップの作成が可能となった．論文掲載後はソフトウェアの公開を予定している．近年，ガラスという一見無秩序な固体においても一定の秩序があり，それを表現する方法が多く開発されている．その中で，RAAマップは無容器法で合成できるガラスが持つ高秩序原子配列を，定量評価する革新的な手法である．

研究成果

• [国際共同研究] Aalborg University(デンマーク)
  • 国名: デンマーク
  • 外国機関名: Aalborg University
• [国際共同研究] Materials Development Inc.(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Materials Development Inc.
• [雑誌論文] Theoretical Insights into the 27Al NMR Parameters of Binary Aluminosilicate Glass and Their Relationship to the Atomic and Electronic Structure (2024)
  • 著者名/発表者名: T. Ohkubo, A. Masuno, E. Tsuchida, S. Ohki
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 128 ページ: 1298-1311
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.3c06292
  • 査読あり
• [雑誌論文] Atomic and Electronic Structure in MgO-SiO2 (2024)
  • 著者名/発表者名: Y. Shuseki, S. Kohara, T. Kaneko, K. Sodeyama, Y. Onodera, C. Koyama, A. Masuno, S. Sasaki, S. Hatano, M. Shiga, I. Obayashi, Y. Hiraoka, J. T. Okada, A. Mizuno, Y. Watanabe, Y. Nakata, K. Ohara, M. Murakami, M. G. Tucker, M. T. McDonnell, H. Oda, T. Ishikawa
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry A 巻: 128 ページ: 716-726
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.3c05561
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Scintillation Properties of Tb4O7-Al2O3 Glasses (2024)
  • 著者名/発表者名: Y. Takebuchi, A. Masuno, D. Shiratori, K. Ichiba, A. Nishikawa, T. Kato, D. Nakauchi, N. Kawaguchi, T. Yanagida
  • 雑誌名: Sensors and Materials 巻: 36 ページ: 579-585
  • DOI: 10.18494/SAM4751
  • 査読あり
• [雑誌論文] Crystal-Like Atomic Arrangement and Optical Properties of 25La2O3-75MoO3 Binary Glasses Composed of Isolated MoO42- (2024)
  • 著者名/発表者名: A. Masuno, S. Munakata, Y. Okamoto, T. Yaji, Y. Kosugi, Y. Shimakawa
  • 雑誌名: Inorgnic Chemistry 巻: 63 ページ: 5701-5708
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.4c00176
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Siliceous zeolite-derived topology of amorphous silica (2023)
  • 著者名/発表者名: H. Masai, S. Kohara, T. Wakihara, Y. Shibazaki, Y. Onodera, A. Masuno, S. Sukenaga, K. Ohara, Y. Sakai, J. Haines, C. Levelut, P. H?bert, A. Isambert, D. A. Keen, M. Azuma
  • 雑誌名: Communications Chemistry 巻: 6 ページ: 269
  • DOI: 10.1038/s42004-023-01075-1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 国際宇宙ステーション日本実験棟「きぼう」における La2O3-Nb2O5融液の熱物性計測 (2024)
  • 著者名/発表者名: 増野敦信，手跡雄太，小山千尋，石川毅彦，小原真司，佐々木俊太，佐藤宇應，波多野昇平，佐々木遥菜，高橋映吏弥，棟方咲衣
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2024年年会
• [学会発表] 無容器法で合成した La2O3-WO3-MoO3系ガラスの物性と構造 (2024)
  • 著者名/発表者名: 棟方咲衣，増野敦信，手跡雄太
  • 学会等名: 日本セラミックス協会2024年年会
• [学会発表] 希土類ホウ酸ガラスにおける希土類酸化物の高含有化が及ぼす構造及び物性への影響 (2024)
  • 著者名/発表者名: 佐々木俊太，増野敦信
  • 学会等名: 第6回固体化学フォーラム研究会
• [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 (2024)
  • 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: 第6回固体化学フォーラム研究会
• [学会発表] R2O3-Ga2O3系ガラス（R は希土類元素）の構造と物性 (2024)
  • 著者名/発表者名: 波多野昇平，佐々木俊太，増野敦信
  • 学会等名: 第6回固体化学フォーラム研究会
• [学会発表] Interplay between atomic structure and physical properties in chalcogenide phase-change materials (2024)
  • 著者名/発表者名: J. R. Stellhorn, S. Hosokawa, B. Paulus, B. D. Klee, W.-C. Pilgrim, N. Boudet, N. Blanc, H. Ikemoto, S. Kohara, Y. Sutou
  • 学会等名: 第6回固体化学フォーラム研究会
• [学会発表] 酸化物融液・ガラスの構造解析 (2024)
  • 著者名/発表者名: 手跡雄太，増野敦信，小原真司
  • 学会等名: 第6回固体化学フォーラム研究会
• [学会発表] Functional Oxide Glasses Prepared by a Levitation Technique (2023)
  • 著者名/発表者名: Atsunobu Masuno
  • 学会等名: The 37th International Korea-Japan Seminer on Ceramics (KJ-Ceramics 37)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Functionality and structure of levitation-synthesized oxide glasses (2023)
  • 著者名/発表者名: Atsunobu Masuno
  • 学会等名: ICG Annual Meeting 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Multifunctionality in Rare-Earth-Rich Borate Glasses without B-O Networks (2023)
  • 著者名/発表者名: Atsunobu Masuno
  • 学会等名: 10th International Conference on Borate Glasses, Crystals, and Melts (Borate X) and 3rd International Conference on Phosphate Materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Local Structure Analysis of Rare-earth Rich Borate Glasses (2023)
  • 著者名/発表者名: Shunta Sasaki, Atsunobu Masuno
  • 学会等名: 788. WE-Heraeus-Seminar, Beyond Imperfections: New Structure-Property Relationships in Ceramics and Glasses
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Structural and physical properties of La2O3-Ga2O3-Al2O3 glasses (2023)
  • 著者名/発表者名: S. Hatano, A. Masuno, H. Inoue, Y. Yanaba
  • 学会等名: MRM2023
  • 国際学会
• [学会発表] Relationship between Mechanical Properties and Formation of Non-bridging Oxygen in Rare-Earth Borate Glasses (2023)
  • 著者名/発表者名: S. Sasaki, A. Masuno, Y. Yanaba, H. Inoue
  • 学会等名: MRM2023
  • 国際学会
• [学会発表] Oxygen packed network topology for the glass formation in MgO-SiO2 (2023)
  • 著者名/発表者名: S. Shuseki, A. Masuno, C. Koyama, T. Ishikawa, S. Kohara
  • 学会等名: MRM2023
  • 国際学会
• [学会発表] Structural and mechanical properties of mullite glasses including ZrO2 or MgO (2023)
  • 著者名/発表者名: I. Sato, A. Masuno, Y. Yanaba, H. Inoue
  • 学会等名: MRM2023
  • 国際学会
• [学会発表] RMC modelling of bismuth silicate glass with a high dielectric permittivity (2023)
  • 著者名/発表者名: J. R. Stellhorn, A. Masuno, Y. Onodera, S. Kohara, H. Taniguchi
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第64回ガラスおよびフォトニクス材料討論会
• [学会発表] Magneto-optical effect of rare-earth-rich borate glasses prepared by a levitation technique (2023)
  • 著者名/発表者名: S. Sasaki, K. Tanaka, A. Masuno
  • 学会等名: International Conference on Powder and Powder Metallurgy, 2023, Kyoto (JSPMIC2023)
  • 国際学会
• [学会発表] R2O3-Ga2O3-Al2O3系ガラス（Rは希土類元素）の構造と物性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 波多野昇平，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36回秋季シンポジウム
• [学会発表] ハイエントロピー化したAl2O3高含有ガラスの機械特性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 髙橋映吏弥，増野敦信
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第36回秋季シンポジウム
• [学会発表] Mn添加により青色を呈するアルカリ土類アルミネートガラスの合成 (2023)
  • 著者名/発表者名: 佐々木遥菜，増野敦信
  • 学会等名: 日本セラミックス協会ガラス部会第54回夏季若手セミナー
• [学会発表] 無容器法で合成したLa2O3-WO3-MoO3系ガラスの物性と構造 (2023)
  • 著者名/発表者名: 棟方咲衣，増野敦信
  • 学会等名: 日本セラミックス協会ガラス部会第54回夏季若手セミナー
• [学会発表] ハイエントロピー化したAl2O3高含有ガラスの機械特性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 髙橋映吏弥，増野敦信
  • 学会等名: 日本セラミックス協会ガラス部会第54回夏季若手セミナー
• [学会発表] Eu2+を含んだ酸化物ガラスの特性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 榎本雄太，増野敦信
  • 学会等名: 日本セラミックス協会ガラス部会第54回夏季若手セミナー
• [学会発表] 廃棄物ガラス固化体に含まれるSとMoの局所構造解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 増野敦信
  • 学会等名: 2023年度 SRセンター研究成果報告会
• [学会発表] Mn添加により青色を呈するアルカリ土類アルミネートガラスの合成 (2023)
  • 著者名/発表者名: 佐々木遥菜，増野敦信
  • 学会等名: 粉体粉末冶金協会 2023年度春季大会
• [学会発表] Local structure analysis in rare-earth-rich borate glasses (2023)
  • 著者名/発表者名: S. Sasaki, A. Masuno, Y. Yanaba, H. Inoue
  • 学会等名: The American Ceramic Society, 2023 Glass & Optical Materials Division, Annual Meeting (GOMD2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Structural and physical properties of Bi2O3-SiO2-Al2O3 glasses prepared by a levitation technique (2023)
  • 著者名/発表者名: A. Masuno, K. Yoshida, Y. Yanaba, H. Inoue, H. Taniguchi, S. Kohara
  • 学会等名: The American Ceramic Society, 2023 Glass & Optical Materials Division, Annual Meeting (GOMD2023)
  • 国際学会
• [備考] 京都大学大学院工学研究科材料化学専攻ガラス基礎科学講座
  • URL: https://fgs.mc.kyoto-u.ac.jp/index.html