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「鋼ほどの硬さのガラス」を開発 東大・増野敦信助教が語る最新のガラスの秘密とは?1/2前編

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増野敦信 Atsunobu Masuno
東京大学生産技術研究所助教
1975年生まれ。大阪府出身。1999年、京都大学理学部卒業。2006年、宇宙航空研究開発機構(JAXA)研究員。2007年、東京大学生産技術研究所助教に就任。

硬いガラスは空中に素材を浮かせる「無容器法」で作る

堀江貴文(以下、堀江) 増野さんは、薄くて非常に硬いガラスの開発に成功されたんですよね。

増野敦信(以下、増野) はい。「超高弾性率ガラス」といいます。

堀江 超高弾性率というのは?

増野 弾性率と言うのは変形のしにくさを表す数値なんですが、この数値が高いほど同じ力をかけても変形しにくい、曲がりにくい。つまり硬いガラスということになります。

堀江 今回、開発されたガラスの硬さはどれくらいなんですか?

増野 弾性率を示すヤング率という指標があるんですが、それが160GPaです。酸化ガラスの中では最も大きな値です。これまでの典型的な酸化ガラスだと80GPa、鋳鉄は152GPa、鋼だと200GPa程度なので、硬さでいうとガラスより鋳鉄や鋼に近いですね。

堀江 すごいですね。どうやって、そんなに硬いガラスを作れるようになったんですか?

増野 ガラスは結晶と違って、原子がバラバラに存在しています。ガラスの弾性率を上げるには、この原子間の隙間がなるべく少なくなること、つまり充填密度を高くすることが必要なんです。

堀江 はい。

増野 そのためには酸化アルミニウム(Al2O3)の含有量を増やすことが効果的なんですが、酸化アルミニウムはガラスになりにくい酸化物(中間酸化物)なので、これまではあまり含有量を増やすことができないと考えられていました。

堀江 ガラスになりやすい物質となりにくい物質があるんですね。

増野 そうです。ガラスになりやすい物質かどうかを見積もるための「ガラス形成則」という基本原則がありまして、それに従って考えると酸化アルミニウムを多く含む高弾性率ガラスの開発は原理的に難しいというのが常識でした。

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堀江 なるほど。

増野 それが今回、「無容器法」という方法を使うことで、酸化アルミニウムと酸化タンタル(Ta2O5)だけでガラスを作ることに成功したんです。組成比率はほぼ1対1、非常にシンプルなものです。

堀江 材料はふたつだけなんですか?

増野 はい。ガラスを作る時には、通常は作りやすくするためにいろんな材料を入れます。光学レンズだと10組成とか20組成ぐらいは入っています。それが、今回このふたつの組成で新たなガラスができたことの意味は大きいんですよ。

堀江 それで硬さが出せるようになったんですか。

増野 できあがったガラスを調べたところ、原子の充填密度が非常に高くなっていることがわかりました。

堀江 無容器法というのは、どんな方法なんですか?

増野 簡単にいうと、容器を使わず空中にガラスの原材料を浮かせて、そこにレーザーを当てて加熱し、ガラスを作る方法です。

堀江 浮かせるんですか?

増野 はい。上向きの円錐のノズルの下から空気を流し込んで、ガラスの材料の粉末を浮かせます。そこにCO2レーザーを照射して2000度くらいに熱すると溶解します。溶解すると液体になり勝手にくるっと丸まってくれるので、どんどん浮きやすくなります。

堀江 すごくシンプルな方法ですね。

増野 ええ。ただ、ほとんど誰もやっていないかった法です(笑)。

 

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