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発表者

水野 英如（東京大学 大学院総合文化研究科 広域科学専攻 助教）
池田 昌司（東京大学 大学院総合文化研究科 広域科学専攻 准教授）

発表のポイント

• ゲルの固体物性をコンピュータシミュレーション（注1）によって详细に调べ、微视スケール（分子スケール）から巨视スケール（连続体极限）（注2）までのゲルの振る舞いを明らかにした。特に、巨视スケールでは一様な弾性体として振る舞うことが明らかになった。
• ガラスは欠陥が分散した弾性体として振る舞うため、ゲルの振る舞いはガラスとは対照的である。本研究によって、同じ不规则系（注3）であっても、ガラスとゲルは本质的に违っていることが明らかになった。
• 本研究の成果は、ガラス、ゲル、粉体、生体系といったように、多种多様に存在する不规则系を包括的かつ统一的に理解するための第一歩になると期待できる。

発表概要

　 東京大学大学院総合文化研究科の水野 英如 助教、蜂谷 誠 修士課程2年（研究当時）、池田 昌司 准教授は、スカスカなゲルの固体物性を詳細に調べ、同じ不規則系であっても、ギュウギュウなガラスとは本質的に異なった振る舞いを示すことを明らかにしました。

　分子（粒子）が不规则な状态で固まっている物质は、「不规则系」と呼ばれます。不规则系の代表例として、「ガラス」と「ゲル」（図1）が挙げられます。ガラスには窓ガラスをはじめ、セラミックスのコップ、プラスティックのペットボトルなどがあります。一方で、ゲルにはプリン、こんにゃくといった食料品や、シリカゲルの除湿剤、おむつの吸水材といった日用品などがあります。ガラスとゲルの违いは密度にあります。ガラスでは分子が高密度でギュウギュウに詰まっているのに対して、ゲルでは分子が低密度でスカスカなネットワーク状に固まっています。
　これまでの研究によって、高密度不规则系のガラスに関する理解が大きく前进しました。特にここ数年の研究では、局在振动モード（注4）の存在が明らかになりました。このことは、巨视スケール（连続体极限）においても、ガラスは一様な弾性体として振る舞うのではなく、欠陥が散らばった弾性体として振る舞うことを意味しており、日常生活で経験するガラスの脆さ、壊れやすさを表すものです。

　では、低密度不规则系のゲルはどうでしょうか？本研究はゲルの理解を前进させるべく、コンピュータシミュレーションを用いてゲルを模拟（図2）し、その固体物性を详细に调べました。ゲルではガラス状のクラスターが空间中を分散しており、それらクラスターが繋がって、スカスカなネットワーク构造を形成します。スカスカなゲルは、ギュウギュウに詰まったガラスに比べて、弾性率が桁违いに小さい、极めて柔らかい固体物质となります。
　不均一な构造をもつゲルの分子振动は、空间的に不均一なものとなります。ところが、巨视スケールでは、&谤诲辩耻辞;スカスカ&谤诲辩耻辞;を感じないくらい长い波长をもった、ゆっくりとした音波振动になることが分かりました。この结果は、ゲルが一様な弾性体として振る舞うことを示しており、欠陥が分散した弾性体として振る舞うガラスとは対照的なものとなりました（図3）。
　本研究は、同じ不规则系であっても、ガラスとゲルでは振る舞いが本质的に违っていることを明らかにしました。不规则系にはガラスやゲル以外にも、粒子间相互作用でエネルギー散逸が生じる粉体、粒子がアクティブ力によって駆动される生体系など、多种多様な系が存在します。これら不规则系の理解を包括的かつ统一的に理解することを目指し、研究が进行しています。

発表内容

　私达の世界には大きく分けて、规则的な固体と不规则な固体が存在します。规则的な固体は「结晶」と呼ばれ、结晶では分子が规则的?周期的に配置しています。一方で、不规则な固体はガラス系、不规则系、あるいはランダム系などと呼ばれますが、ここでは「不规则系」と呼ぶことにします。不规则系には、结晶が有する规则性?周期性は存在せず、分子は不规则な状态で固まっています。これまでの研究によって、不规则系は、规则的な结晶とは大きく异なる性质を示すことが明らかにされてきました。

　さて、不规则系と一口に言っても、様々な物质が存在します。例えば、代表的なものとして、「ガラス」と「ゲル」が挙げられます。両者の违いは密度にあります。ガラスでは分子が高密度でギュウギュウに詰まっています。一方で、ゲルでは分子が低密度でスカスカなネットワーク状に固まっています。ガラスとゲルはともに、私达の生活の至るところで活用されています。ガラスは窓ガラスをはじめとして、セラミックのコップ、プラスティックのペットボトル、アスファルトの道路などに活用されています。一方で、ゲルはプリン、コンニャクといった食料品や、シリカゲルの除湿剤、おむつの吸水材といった日用品などに幅広く活用されています。

　これまでの研究によって、高密度不规则系のガラスに関する理解が大きく前进しました。例えば、「ボゾンピーク」と呼ばれる、ガラス特有の低エネルギー励起に関しては、半世纪もの长い间、研究され続けてきました。また、ここ数年の间では、低周波数极限（连続体极限）に「局在振动モード」が存在することが明らかになりました。このことは、巨视スケール（连続体极限）においても、ガラスは一様な弾性体として振る舞うのではなく、欠陥が散らばった弾性体として振る舞う、ということを提示するものであり、日常生活で経験するガラスの脆さ、壊れやすさといった性质を表すものです。

　では、低密度不规则系のゲルはどうでしょうか？ガラスとゲルの违いは、密度の违いにありますが、その密度の违いは両者を区别する、二つの大きな违いを生み出します。一つ目は、构造の违いです。ガラスでは分子は高密度でギュウギュウに詰まっており、その分子配置は不规则ではありますが、空间的に一様とみなすことができます。一方で、ゲルでは分子はスカスカなネットワーク构造を形成しますが、その构造は空间的に极めて不均一なものです。二つ目は、分子间に働く力の违いです。ガラスでは分子はギュウギュウな状态で互いに押し合い圧し合いしており、斥力が支配的です。一方で、ゲルでは分子が引力によって繋がってネットワークを形成しており、引力が重要になります。このように、ゲルはガラスとは大きく违ったものですが、この违いがゲルの性质?振る舞いにどのように反映されているのでしょうか？

　本研究はコンピュータシミュレーションを用いてゲルを模拟し、ゲルの固体物性を详细に调べました。本研究では、&濒诲辩耻辞;液体?気体相分离过程が液体相のガラス化によって冻结することで形成されるゲル&谤诲辩耻辞;を模拟しました。ゲルでは、分子がガラス状に固まったクラスターが空间中に分散し、それらが互いに繋がってネットワーク构造を形成します。模拟したゲルの中には、フラクタル次元が2という极めてスカスカなネットワーク构造を観测しました。すなわち、3次元空间中に2次元分の体积しか占めていないような、スカスカなネットワーク构造が形成されているのです。このようにスカスカな固体物质であるため、ゲルは弾性率がギュウギュウに詰まったガラスのものと比べて桁违いに小さい、极めて柔らかいものとなります。

　スカスカで不均一なゲルでは、その分子振动は空间的に不均一なものとなります。ところが、巨视スケール（连続体极限）では、&濒诲辩耻辞;スカスカ&谤诲辩耻辞;を感じないくらい长い波长をもった、ゆっくりとした音波振动に収束することが分かりました。この结果は、ゲルが一様な弾性体として振る舞うことを示しており、欠陥が分散した弾性体として振る舞うガラスとは対照的です。さらに注目すべきことに、ゲルでは、ガラスで存在したボゾンピークや局在振动モードが観测されませんでした。この结果も、ゲルが一様な弾性体として振る舞うことを示しています。我々は、このようなガラスとの违いが生じる背后には、ゲルの分子间に働く引力が重要な役割を果たしていると推察していますが、この点を理解するには今后の更なる研究を必要とします。

　本研究は、ゲルの阶层的な振る舞いを明らかにしました。すなわち、観测の长さスケールを分子スケールから长くしていくと、ゲルの様相は、ガラス状のクラスター、不均一でスカスカなネットワーク构造体、そして一様な弾性体へと移り変わっていきます。特に巨视スケールにおいて一様な弾性体に収束する点は、ガラスとは対照的な振る舞いです。本研究は、同じ不规则系であっても、密度が异なるガラスとゲルでは本质的に违った振る舞いを示すことを明らかにしました。不规则系にはガラスやゲル以外にも、粒子间相互作用でエネルギー散逸が発生する粉体、粒子がアクティブ力によって駆动される生体系など、多种多様な系が存在します。これら不规则系の理解を包括的かつ统一的に理解することが、不规则系の研究が目指すところとなります。その一歩として、高密度不规则系のガラスと、低密度不规则系のゲルを同じ理论的枠组みで统一的に记述できるよう研究が进行しています。

　本成果は2021年12月21日（米国东部时间）に米国物理学协会発行の学术雑誌『The Journal of Chemical Physics』のオンライン版で公开されました。

　なお、本研究は、科学研究費補助金?若手研究（研究代表者：水野 英如）、基盤研究（B）（研究代表者：池田 昌司）、基盤研究（S）（研究代表者：鹿野田 一司）、基盤研究（B）（研究代表者：吉野 元）、基盤研究（A）（研究代表者：宮崎 州正）の支援を受けて行われました。

用语解説

（注1）コンピュータシミュレーション
本研究では、「分子シミュレーション」と呼ばれるコンピュータシミュレーションを実施した。微视的にみると、物质は多数の分子から构成されている。分子シミュレーションは、计算机上で物质を构成する分子一つ一つの运动を运动方程式によって解析することによって、物质全体の物性?性质を微视的な立场から调べる手法である。

（注2）连続体极限
连続体极限とは、私达が日常生活で感じる巨视スケール、例えばミリメートルのスケールを指す。この巨视スケールに対して、分子の世界のスケール、例えばナノメートルのスケールを微视スケールという。微视スケールでは、物质が多数の分子から构成されていることがみえる。一方で、巨视スケールでは分子がみえることはなく、物质は&濒诲辩耻辞;连続的&谤诲辩耻辞;に构成されているようにみえる。そのため、巨视スケールを「连続体极限」と呼ぶ。

（注3）不规则系
分子が不规则な状态で固まっている系を「不规则系」と呼ぶ。不规则系以外にも、ガラス系、ランダム系とも呼ばれる。不规则系には、分子が高密度な状态でギュウギュウに詰まった「ガラス」、分子が低密度なスカスカな状态で固まった「ゲル」、粒子间相互作用にエネルギー散逸が発生する「粉体」、粒子がアクティブ力によって駆动される「生体系」など、多种多様な系が存在する。

（注4）局在振动モード
局在振动モードとは、高密度不规则系のガラスにみられる分子振动のモード（パターン）であり、ガラス中のある一部の分子が大きく振动する一方で、その他大部分の分子はほとんど振动しないモードである。そのような振动は空间的に局在して発生するので、「局在振动モード」と呼ばれる。