Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

ガラス / 水溶液 / 低エネルギー励起 / 中性子散乱 / 水素結合 / 疎水性水和 / 水 / 中距離密度揺らぎ / アニール効果

不規則系物理の未解明問題の一つであるガラスの低エネルギー励起の起源を明らかにするため,水および水溶液ガラスの中性子散乱と低温熱容量を測定した。溶質には水に良く溶けるCD_3OHとほとんど溶けない非極性気体のXeおよびSF_6をとりあげた。CD_3OHは水素が1個足りないのでネットワークを壊す働きを,XeおよびSF_6は疎水性水和効果により水が籠状の水素結合ネットワークを形成するのを促進することが期待される。CD_3OH水溶液を普通に冷却したのでは結晶化してしまうし,非極性気体は元々水にほとんど溶解しないので,水溶液ガラス作成には我々がこれまでに開発してきた低温蒸着法を用いた。
まず,本研究の溶媒にあたる水のガラス(蒸着アモルファス氷)とSF_6水溶液ガラスの中性子回折実験および中性子小角散乱実験を行った。蒸着直後の試料をガラス転移より少し低い温度である120K付近でアニールすることにより,平均密度が減少するとともに,0.1Å^<-1>程度の中距離密度揺らぎが減少することが分かった。次に,3つの溶質の蒸着水溶液ガラス(数種の濃度について)の中性子非弾性散乱を測定した。CD_3OHの添加は低エネルギー励起強度を増大させること,XeとSF_6の添加は低エネルギー励起強度を減少させることが分かった(この傾向は溶質濃度が高いほど顕著になる)。また,アニールにより全ての試料で低エネルギー励起強度が減少することが明らかになった。以上の全ての結果を総合することにより,水素結合系ネットワークガラスの低エネルギー励起が水素結合の部分的切断から生じるナノスケールの構造の乱れ,歪みによって生じることが明らかになった。
以上の成果は,現時点で,5つの国際誌に発表済みである。また,ガラスや水の関係の8つの国際会議(国外4,国内4)で報告したが,いずれの会議でも高い評価を得ている。

中性子散乱 / ガラス / ボゾンピーク / アルコール / 水素結合 / 動的構造因子 / 重水素化 / 重水素置換

水素結合分子ガラスのボゾンピークの起源を明らかにするため,(部分的に)重水素置換したアルコールガラスの中性子非弾性散乱実験を行った。試料としては,水酸基のみ,アルキル鎖のみ,およびすべて重水素置換したプロパノールとグリセロールを測定した。この実験では,水素原子の非干渉性散乱が他の原子からの全散乱の10倍以上あることから,水素が結合した部位の振動を選択的に見ることができる。実験には東大物性研のAGNES分光器を用いた。S(Q,E)スペクトルにおいて,プロパノールでは2meV付近,グリセロールでは3.5meV付近に最大値をもつボゾンピークが観測された。両試料とも,ピークエネルギーとピーク強度に重水素位置による変化はほとんど見られなかった。このことは,ボゾンピークの起源が,水素結合ネットワーク(あるいはチェイン)とアルキル鎖部分が協同的に動く振動であることを示している。今回の結果は,最近注目されているボゾンピークのモデルであるブロークンネットワークモデル(中山モデル)と,定性的ではあるが非常に良い一致を見た。
メタリン酸カリウムの重水和物ガラス(KPO_3・0.70D_2O)の中性子干渉性非弾性散乱実験を行った。実験には英国Rutherford Appleton研究所のMARI分光器を用いた。本実験により,非干渉性散乱では3-4meVに存在したボゾンピークが2つ(2.5meVと6meV)に分離していることが明らかになった。この現象は本物質の一次元ネットワーク性に関係していると考えられ,興味深い。エネルギーと運動量変化を両軸にとった散乱強度マップから,音響モードの分散的挙動が見つかった。この分散の周期が静的構造因子S(Q)の周期に関係があることも分かった。この現象はネットワークガラスの高度に発達した短距離秩序構造に由来すると考えられる。