ガラス: 固体でも液体でもない、このありふれた複雑な物質は依然として科学者を驚かせています

ペンシルベニア州立材料科学工学教授

材料科学の博士号取得候補者、ペンシルバニア州

著者らは、この記事から利益を得るであろういかなる企業や組織で働いたり、コンサルティングしたり、株を所有したり、またはそこから資金提供を受けたりすることはなく、学術上の任命以外の関連する所属も明らかにしていません。

ペンシルバニア州立大学は、The Conversation US の設立パートナーとして資金を提供しています。

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ガラスはさまざまな側面を持つ素材です。古代と現代の両方があり、丈夫でありながら繊細で、ほぼすべての形や色を採用できます。 ガラスのこうした特性を利用して、人々はスマートフォンの画面や光ファイバーケーブルからワクチンを入れるバイアルに至るまで、あらゆるものの製造にガラスを使用しています。

人類は何千年もの間、何らかの方法でガラスを使用してきましたが、研究者は今日でもガラスの新たな用途を発見しています。 ガラスは実際には固体ではなく液体であるという事実が頻繁に繰り返されるのを聞くことは珍しいことではありません。 しかし、現実はもっと興味深いものです。ガラスはどちらのカテゴリーにもきちんと当てはまらず、多くの点でそれ自体が物質の状態です。 ガラスを研究する二人の材料科学者として、私たちはこのユニークな材料についての理解を深め、将来のガラスの新しい使用方法を発見するために常に努力しています。

ガラスを理解する最良の方法は、ガラスがどのように作られるかを理解することです。

ガラスを作る最初のステップでは、鉱物の混合物（多くの場合、ソーダ灰、石灰石、珪砂）を、摂氏約 2,700 度 (摂氏 1,480 度) で溶けて液体になるまで加熱する必要があります。 この状態では、ミネラルは液体中を自由に流れ、無秩序に移動します。 この液体が十分に速く冷却されると、ほとんどの固体のように組織化された結晶構造に固化するのではなく、混合物は無秩序な構造を維持したまま固化します。 ガラスを定義するのは原子的に無秩序な構造です。

短い時間スケールでは、ガラスは固体と同様に動作します。 しかし、ガラスの液体のような構造は、十分に長い期間にわたってガラスが緩和と呼ばれるプロセスを受けることを意味します。 緩和は継続的ですが非常にゆっくりとしたプロセスであり、ガラス内の原子がより安定した構造にゆっくりと再配置されます。 10 億年の間に、一般的なガラスの形状は 1 ナノメートル未満、つまり人間の髪の毛の直径の約 1/70,000 しか変化しません。 変化の速度が遅いため、古い窓は何世紀にもわたって重力がゆっくりと流れるガラスを引っ張るため、下部が厚くなるという通説は真実ではありません。

口語的には、ガラスという言葉は、砂、ソーダ、石灰を溶かして作られた硬くて脆い透明な物質を指すことがよくあります。 しかし、透明ではないガラスの種類も数多くあり、液体混合物を結晶化を避けるのに十分な速さで冷却できる限り、任意の元素の組み合わせからガラスを作ることができます。

人類は 4,000 年以上にわたってガラスを使用してきましたが、最も初期の用途には装飾用のガラス ビーズや矢尻がありました。 考古学者は2,000年前のガラス工房の証拠も発見した。 そのような古代の工房の 1 つが、現在のイスラエルのハイファ近郊で発見され、その歴史は西暦 350 年頃まで遡ります。 そこで考古学者らは、生のガラスの破片、ガラス溶解炉、実用的なガラス容器、および吹きガラスの破片を発見しました。

現代のガラス製造は、20 世紀初頭にガラス瓶と平板ガラスの大量生産技術の開発とともに始まりました。 ガラスは 20 世紀後半のエレクトロニクスおよび通信業界に不可欠な要素となり、現在ではインターネットのバックボーンを形成しています。

今日、科学者は単にガラスをカップや鏡の素材として使用するだけではありません。 ガラス研究の最先端は、その複雑な原子構造と緩和プロセスを操作して特定の特性を達成する能力です。

ガラスは原子的に無秩序で常に変化しているため、ガラス上の 2 つの点は、強度、色、導電性など、わずかに異なる特性を持つ可能性があります。 これらの違いにより、同じ材料を使用して同じ方法で作られた 2 つの類似したガラスが大きく異なる動作をする可能性があります。