東京大学生産技術研究所の助教を務める増野敦信氏らの研究チームは2015年10月、無色透明でヤング率が160Gpaという高弾性率ガラスの開発に成功したことを発表した。薄くて丈夫な新素材として、電子回路基板、各種カバーガラス、建築材料などへの応用が期待される。

今回の開発は、増野氏の他、東京大学大学院工学系研究科の博士工程学生であるロサレス グスタボ氏、高輝度光科学研究センターの研究員である肥後祐司氏らによる研究チームが行った。研究チームは、ガラス合成法として無容器法を用いた。無容器状態はガス浮遊炉を用いて実現している。無容器法は、ガラスになりにくい組成でも比較的容易にガラス化することができる方法である。

無容器法を用いたガラス作製装置のイメージ図 出典：東京大学

無容器法を採用することで、これまではガラスにならないと思われてきた酸化アルミニウム（Al 2 O 3 ）と酸化タンタル（Ta 2 O 5 ）のみの組成で、ガラス（54Al 2 O 3 ・46Ta 2 O 5 ）合成に成功した。酸化アルミニウムと酸化タンタルの組成比率をほぼ1対1とすることで、無色透明なガラスにすることができたという。

合成に成功した無色透明のガラス 出典：東京大学

開発したガラスを測定/解析したところ、弾性率を示す指標の1つであるヤング率は160GPaに達していることが分かった。典型的な酸化物ガラスのヤング率は80GPa程度であり、酸化物ガラスの中では最も大きい値になったという。また、鋳鉄でも152GPa、鋼は200GPa程度であり、今回開発したガラスの弾性率は、鋼に近い特性を示した。

また、走査型透過電子顕微鏡（STEM）を用いてAlとTa原子の分散状態を、核磁気共鳴（NMR）を用いてAl原子核の局所環境を、それぞれ確認した。この結果、AlとTaが原子レベルで均一に分散していること、酸素配置数が5であるAl原子の比率が非常に多いことが分かった。これらの解析結果から、ガラスの充填密度が極めて高くなり、弾性率が大きくなることを突き止めた。

開発したガラスでみられるAlやTaの振る舞いは、これまでの一般的なガラス形成則からは逸脱しているという。このため研究グループでは、Al原子周囲の特異な局所構造が、Ta元素によってもたらされた、ということを研究論文で提案した。研究グループでは、従来の常識では考えられないような革新的機能を備えたガラスが、3〜5年後にはカバーガラスなどの用途で製品化される可能性もある、とみている。

関連キーワード 東京大学 | 透明 | ヤング率 | アルミニウム | 新素材

