酸化物ガラス融液の粘性流動の微視的機構の解明とその制御

前年度に、アルカリシリケート融液における粘度のアルカリ種依存性について、Na2O・2SiO2融液よりもK2O・2SiO2融液の方が粘度が高い理由が、融液中で起こる結合切断の化学反応の活性化エネルギーの大小で説明できることが明らかになった。本年度はこの知見を、ガラス科学における未解明現象である粘度の混合アルカリ効果に適応した。結果として、Na2O・2SiO2融液とK2O・2SiO2融液の粘度の値から線形的に推測されるよりも、混合アルカリガラス融液における値が下回る計算結果が得られ、粘度の混合アルカリ効果を再現できた。さらに、Si-O結合生存率とSi-O再結合率においても混合アルカリ効果に対応する非線形性(線形内挿と混合系の値がずれること)が得られた。次に独自の解析コードを開発し、450粒子系での解析により得られた、反応中間体である5配位状態Si生成時と反応前の系のエネルギー差ΔEと、置換反応における基質SiがQ4の反応では相関係数0.737, Q3では0.649の正の相関となり、5配位Siとそれを補償するアルカリの距離が大きいほど反応にエネルギーが必要であることが示唆された。また、基質の最近接を取りうるアルカリ種の割合は、アルカリ種の組成比よりもNaに偏っていたが、これは混合アルカリガラス中でNaのみの系に近い環境が反応箇所の周辺で生じやすいことを示している。以上のことから、Si-O結合交換反応が粘度の組成依存性に影響を与え、基質とその周辺のアルカリの環境が反応中間体の安定性に寄与していることがわかった。

前年度に、アルカリシリケート融液における粘度のアルカリ種依存性について、Na2O・2SiO2融液よりもK2O・2SiO2融液の方が粘度が高い理由が、融液中で起こる結合切断の化学反応の活性化エネルギーの大小で説明できることが明らかになった。本年度はこの知見を、ガラス科学における未解明現象である粘度の混合アルカリ効果に適応した。結果として、Na2O・2SiO2融液とK2O・2SiO2融液の粘度の値から線形的に推測されるよりも、混合アルカリガラス融液における値が下回る計算結果が得られ、粘度の混合アルカリ効果を再現できた。さらに、Si-O結合生存率とSi-O再結合率においても混合アルカリ効果に対応する非線形性(線形内挿と混合系の値がずれること)が得られた。次に独自の解析コードを開発し、450粒子系での解析により得られた、反応中間体である5配位状態Si生成時と反応前の系のエネルギー差ΔEと、置換反応における基質SiがQ4の反応では相関係数0.737, Q3では0.649の正の相関となり、5配位Siとそれを補償するアルカリの距離が大きいほど反応にエネルギーが必要であることが示唆された。また、基質の最近接を取りうるアルカリ種の割合は、アルカリ種の組成比よりもNaに偏っていたが、これは混合アルカリガラス中でNaのみの系に近い環境が反応箇所の周辺で生じやすいことを示している。以上のことから、Si-O結合交換反応が粘度の組成依存性に影響を与え、基質とその周辺のアルカリの環境が反応中間体の安定性に寄与していることがわかった。