Relationship between topological order and glass forming ability in densely packed enstatite and forsterite composition glasses

輝石及びかんらん石組成ガラスにおけるトポロジカル秩序とガラス形成能の関係

小原 真司*; Akola, J.*; 森田 秀利*; 鈴谷 賢太郎; Weber, J. K. R.*; Wilding, M. C.*; Benmore, C. J.*

Kohara, Shinji*; Akola, J.*; Morita, Hidetoshi*; Suzuya, Kentaro; Weber, J. K. R.*; Wilding, M. C.*; Benmore, C. J.*

ガラスには、ガラスになりやすい組成範囲が存在するが、それが構造的に何が要因であるのかは不明であった。その要因を明らかにするために、基本的なガラス材料であるケイ酸塩ガラスでガラス形成のしやすさが異なる3組成(SiO, MgSiO, MgSiO)について、中性子回折,高エネルギーX線回折実験を行い、逆モンテカルロ法を適用することで、その3次元構造を詳細に調べた。いずれのガラスも環構造(リング)から成っているが、MgSiO, MgSiO, SiOのガラス形成がしやすくなる順にリングのサイズ分布の幅が大きく成る(つまり、構造の多様性が大きくなる)ことが明らかになった。リングのサイズ分布が広く、中距離の構造が多様であること(構造多様性)がガラス形成のしやすさの条件であることが明らかになった。

The atomic structures of magnesium silicate melts are key to understanding processes related to the evolution of the Earth's mantle and represent precursors to the formation of most igneous rocks. The silica rich enstatite (MgSiO) composition is a good glass former, whereas the forsterite (MgSiO) composition is at the limit of glass formation. In this article, the structure of enstatite and forsterite composition glasses obtained from levitated liquids have been modeled using Reverse Monte Carlo fits to diffraction data and by density functional theory. A ring statistics analysis suggests that the lower glass forming ability of the MgSiO glass is associated with a topologically ordered and very narrow ring distribution. The MgO polyhedra have a variety of irregular shapes in enstatite and forsterite glasses and a cavity analysis demonstrates that both glasses have almost no free volume.