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【プレスリリース】ガラスにならない超高温酸化物液体が持つ特異構造 ―宇宙・地上での実験と大規模理論計算・先端数学の連携による発見―(理工学研究科)

【プレスリリースのポイント】

  • 国際宇宙ステーション(ISS)「きぼう」日本実験棟搭載の静電浮遊炉と大型放射光施設SPring-8 の高エネルギーX 線を利用して、超高融点(2413℃)の酸化エルビウム(Er2O3)液体の原子配列と電子状態を測定することに世界で初めて成功しました。
  • スーパーコンピュータを用いた大規模理論計算と先端数学から、ガラスにならないことが知られているEr2O3 液体には、結晶に似た(高い周期性を持つ)構造が存在することが明らかになりました。これは、液体は長距離まで続く周期性を持たないという従来の定説を覆す発見です。
  • 本研究で利用された手法や知見は、新たな材料開発や高温液体から生成される物質の成り立ちへの理解につながることが期待されます。
  • 【研究概要】
     宇宙航空研究開発機構、琉球大学、物質・材料研究機構、京都大学、ノルウェー科学技術大学、弘前大学、函館工業高等専門学校、東北大学金属材料研究所、エイ・イー・エス、高輝度光科学研究センター、理化学研究所からなる国際共同研究チームは、「きぼう」の静電浮遊炉「ELF」*1(図1)における液体の微小重力下無容器密度計測、大型放射光施設SPring-8*2 の高エネルギーX 線を用いた浮遊法による無容器構造計測、ノルウェーグループのスーパーコンピュータを用いた大規模理論計算を併用し、さらに先端数学(パーシステントホモロジー)*3 を利用しながら、ガラスにならない液体として知られている酸化エルビウム(Er2O3)液体(融点:2413℃)の原子配列と電子状態を世界で初めて解明しました。
     Er2O3 液体は、歪んだOEr4 クラスターをはじめとする多様な多面体から構成され、極めて原子の充填率が高く、液体であるにもかかわらず高い周期性を持っていることが明らかになりました。これは、液体には、構造周期性がなくランダムであるという従来の定説を大きく覆す発見です。さらに驚くべきことに、得られた構造モデルに先端数学を適用したところ、Er2O3 液体はEr2O3 結晶と位相幾何学的に相似の構造が存在することが明らかになりました。
    本研究で得られた高温液体構造に関する原子・電子レベルでの理解は、高温液体から生成されるガラスやセラミックス材料の開発や、高温液体であるマグマから鉱物が形成される過程、つまり地球の成り立ちの理解への道筋を示す重要な知見となり得ます。なお本成果は、2020 年6 月2 日(日本時間)に英国科学雑誌「NPG Asia Materials」にオンライン掲載されました。

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