Glass formation at the limit of insufficient network formers

ネットワーク形成物質をほとんど含まないガラスの構造

小原 真司*; 鈴谷 賢太郎; 竹内 謙*; Loong, C.-K.*; Grimsditch, M.*; Weber, J. K. R.*; Tangeman, J. A.*; Key, T. S.*

Kohara, Shinji*; Suzuya, Kentaro; Takeuchi, Ken*; Loong, C.-K.*; Grimsditch, M.*; Weber, J. K. R.*; Tangeman, J. A.*; Key, T. S.*

無機ガラスは通常、共有結合性の強い構造ユニットが、長周期的な秩序を持つことなく、繋がってネットワーク構造を形成しているものである。代表的な無機ガラスであるケイ酸塩ガラス(MeO-SiO等)においては、SiO四面体同士が酸素の頂点共有で繋がりネットワーク構造を形成している。したがって、常識的な考えでは、アルカリ金属酸化物(MeO)あるいはアルカリ土類金属酸化物(MeO)のオルトケイ酸塩(モル比MeO/SiO or MeO/SiO=2)は、ガラス化しないと考えられる。なぜなら、オルトケイ酸塩はネットワーク構造を形成するだけの十分な量の(ネットワーク形成物質)SiOを(SiO四面体を)含有していないからである。しかし、われわれは、大変純粋なMgオルトケイ酸塩ガラス(MgSiO)を坩堝等の容器を使用しない融解-急冷法(コンテナレス法)で作成した。そして、このガラスでは、Mg-Oが、歪んだイオン結合性のMgO, MgO, MgOユニットを形成し、それらが頂点あるいは稜を共有して新奇なネットワーク構造を形成していることを見いだした。この結果は、コンテナレスと同様の環境になっている星間からの物質中にこのMgオルトケイ酸塩ガラスに似た新奇なガラス相が見られる理由を示している。

Inorganic glasses normally exhibit a network of interconncted covalent-bonded structural elements that has no long-range order. In silicate glasses the network formers are based on SiO-tetrahedra interconnected via oxygen atoms at the corners. Conventional wisdom then implies that alkaline and alkaline-earth orthosilicate materials cannot be vitrified because they do not contain sufficient network forming SiO to establish the needed interconnectivity. We have studied a bulk magnesium orthosilicate glass obtained by containerless melting-and-cooling. We find that the role of network former is largely taken on by corner- and edge-sharing of highly distorted ionic Mg-O species that adopt 4-, 5- and 6-coordination with oxygen. The results suggest that similar novel glassy phases may be found in the containerless environment of interstellar space.