トポロジーでひも解くアモルファスの硬さが決まるメカニズム

～柔らかさの鍵は階層構造～

2025（令和7）年9月25日
大阪大学
産業技術総合研究所
岡山大学
東京大学
科学技術振興機構（JST）

発表のポイント

ガラスなどのアモルファス材料において、ゆがみやすく柔らかい箇所に何らかの構造的特徴があるかどうかは、既存手法では複雑なネットワーク構造特徴の抽出が困難なため長年の謎であった
トポロジーを応用したパーシステントホモロジーという解析方法によって、材料の柔らかい領域は原子の並び方に規則性と乱れが共存するような階層構造を持っていることを明らかにした
この知見は今後、割れにくいガラスなど、しなやかで丈夫なアモルファス材料の設計に役立つ可能性を持つ

大阪大学 産業科学研究所の南谷 英美 教授、産業技術総合研究所 マテリアルDX研究センターの中村 壮伸 主任研究員、岡山大学 学術研究院異分野融合教育研究領域（AI・数理）の大林 一平教授、東京大学 大学院総合文化研究科の水野 英如 助教からなる研究グループは、アモルファスにおける力学応答の構造的要因を、数学のトポロジーを応用した手法によって明らかにしました。
アモルファス構造を持つ材料は、結晶とは異なる電気伝導特性や機械特性を持っており、太陽電池やコーティング材料など幅広く応用されています。アモルファスにひずみを加えると、ひずみに沿った変位以外に、不均一な原子の変位が生じます。これは非アフィン変形と呼ばれ、アモルファスにおける特徴的な力学応答です。非アフィン変形が大きい部分はゆがみやすく柔らかいと考えられますが、そこに構造的特徴があるかどうかは長らく未解明でした。その原因は、アモルファスの複雑な構造を特徴づけるために必要な中距離秩序と呼ばれる多数の原子配置の絡み合いを抽出することが、結合距離や結合角度を解析する通常の手法では、困難だったためです。
今回、研究グループは、トポロジカルデータ解析の1つであるパーシステントホモロジーを応用して、アモルファス構造内の中距離秩序に対応する原子が作るさまざまな大きさの「環」の情報を抽出し、それらと非アフィン変形の相関を調べました。その結果、非アフィン変形が起きやすい場所は、大きな環の中に辺の長さが乱れた小さな環が内包される、規則性と乱れが共存するような入れ子状の階層構造を持っていることが判明しました。
この成果により、どのような原子の配置がアモルファス材料の力学応答に重要なのかを、トポロジーから説明する道筋が示されました。今後、割れにくいガラスやしなやかで丈夫なアモルファス材料の設計に向けた、分かりやすい指針づくりに役立つことが期待されます。
本研究成果は、2025年9月25日（木）（日本時間）付で英国科学誌「Nature Communications」に公開されました。
本研究は、科学技術振興機構（JST） 戦略的創造研究推進事業 さきがけ「力学機能のナノエンジニアリング」領域（課題番号:JPMJPR2198）、同 創発的研究支援事業「データ・数理・因果で紐解く非晶質物質科学」（課題番号:JPMJFR236Q）、科学研究費補助金（課題番号:21H01816、23H04470、22K03543、23H04495、19KK0068、20H05884、22H05106）、稲盛財団研究助成の支援を受けて実施されました。

＜プレスリリース資料＞

本文　PDF（1.09MB）

＜論文タイトル＞

“Persistent homology elucidates hierarchical structures responsible for mechanical properties in covalent amorphous solids”

DOI：10.1038/s41467-025-63424-z

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