大型放射光施設 SPring-8

公開日

2020年03月17日

2020年3月17日
理化学研究所

※研究チーム
理化学研究所　放射光科学研究センター　利用システム開発研究部門
　物理・化学系ビームライン基盤グループ
　　放射光イメージング利用システム開発チーム
　　　研究員　星野　大樹　（ほしの　たいき）
　　　チームリーダー　香村　芳樹　（こうむら　よしき）
可視化物質科学研究グループ
　研究員（研究当時）　藤波　想　（ふじなみ　そう）
　　特別研究員（研究当時）　仲谷　友孝 　（なかたに　ともたか）

研究支援
本研究は、JST戦略的創造研究推進事業さきがけ「分子技術と新機能創出」領域（研究総括：加藤隆史）の「コヒーレントX線を用いた摩擦界面ダイナミクス評価手法の確立（研究者：星野大樹）」、革新的研究開発推進プログラム（ImPACT）「超薄膜化・強靱化「しなやかなタフポリマー」の実現（プログラム・マネージャー：伊藤耕三）」、日本学術振興会（JSPS）科学研究費補助金基盤研究(C)「Ｘ線光子相関分光法を用いた薄膜dewettingの前駆揺らぎダイナミクスの研究（研究代表者：星野大樹）」による支援を受けて行われました。

背景
　ある種の液体を一定以上の速さで冷やしていくと、粘性が増して急に流れにくくなり、ガラス転移^[2]を起こします。ガラス転移を起こした状態は「ガラス状態」と呼ばれ、温度の高い液体に比べると100億倍以上も粘性が大きく、固体のように硬いものの、構成する分子が規則正しく並んだ結晶とは異なり、分子がランダムに位置する液体のような構造（アモルファス構造）をしています。
　液体状態とガラス状態を区別するには、分子運動の違いを指標とすることが有効です。液体状態では、分子運動の速さはほとんど均一なのに対し、ガラス状態では、分子運動の速い領域と遅い領域が混在しており、これを「動的不均一性」と呼びます。20年以上前、計算機シミュレーションを用いた研究により、動的不均一性は「ずり」と呼ばれるひずみを加えることで解消され、分子運動の速さが均一になることが予言されました。しかし、実際にその様子を観測した例はこれまでありませんでした。

研究手法と成果
　研究チームは、大型放射光施設「SPring-8」で、コヒーレント^[7]X線による分子運動の測定手法であるX線光子相関分光法（XPCS）を用いて、ポリ酢酸ビニルに分散させたシリカ微粒子の運動をナノメートルスケールで調べました。図1に示すように、ガラス転移温度付近において、さまざまな速度の「ずり」を試料に加えることで、微粒子の運動がどのように変化するかを観察しました。

　試料にずりを加えると、微粒子はずりに平行な方向と垂直な方向では異なる運動をします。すると、ずり平行方向に散乱されたX線の方が、ずり垂直方向に散乱されたX線よりも速く揺らぎます。この異方的な揺らぎを解析することで、観察領域におけるずり速度を精密に求めました。
　次に、ずり速度と微粒子の動的不均一性の関係を調べました。ずり速度が小さいときには、運動が速い領域と遅い領域が混在する不均一な分子運動が見られましたが、ずり速度が大きくなるにつれて分子運動の速さは均一になり、動的不均一性が解消されたことが分かりました（図2）。

今後の期待
　ガラス転移は、窓ガラスやコップに使われるようなガラスだけでなく、プラスチックなどの樹脂材料にも広く見られる現象です。材料の構造均一性が品質に大きな影響を与えることは認識されていますが、動的不均一性と品質の関係についてはこれまで注目されてきませんでした。
　本研究で用いた評価手法は、今後、さまざまな材料の品質評価の新たな設計指針になると期待できます。

補足説明