広帯域誘電緩和測定法で見た過冷却糖アルコール類及び混合系の分子ダイナミクス

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過冷却液体には広大な時空構造が存在するため、特徴時間が異なる複数の緩和過程が観測される。本研究の目的は、過冷却液体及びガラスの超広帯域誘電緩和測定を行い、ガラス転移現象に深く関わるα緩和過程と局所緩和と言われるJohari-Goldstein β緩和過程(以下、JG-β緩和)のふるまいを詳細に調べ、その分子ダイナミクスを解明することである。特に過冷却液体状態でのJG-β緩和はα緩和との明確な区別が難しく、これまで積極的に研究されてこなかった。我々は、低温・高周波域(メガヘルツ域)における誘電緩和測定を行い、そのふるまいを精度良く評価した。実験は、過冷却糖アルコール(エチレングリコール、グリセロール、スレイトール、キシリトール、ソルビトール)の純物質、糖アルコール同士の混合液体(混合比1:1)および少量の水混合物について超広帯域誘電緩和測定(10μHz-500MHz)を205K-340Kの温度範囲で行った。特に100kHz-500MHzの周波数域において静電容量の大きいサンプルセルを使用した。その結果、誘電損失が極度に小さくなる低温においても、JG-β緩和の高周波側のすそまで精度よく評価できた。炭素数の異なる純粋な糖アルコールの測定結果から、α緩和の緩和周波数のふるまいは炭素数に依存するが、JG-β緩和のものは依存しないことが分かった。この結果は炭素数の異なる糖アルコール同士の混合液体にも当てはまり、α緩和のふるまいは混合液体の平均炭素数を反映したものになった。少量の水混合物においても、同様の結果が得られた。これらの結果から、糖アルコールのα緩和は分子の協同的な回転拡散に起因すると言える。また、JG-β緩和のふるまいが炭素数に依存しないことから、糖アルコールシリーズのJG-β緩和は、共通の分子ダイナミクスに起因すると考えられる。