Research Abstract
極めて壊れやすい液体の原子・電子構造
Atomic and electronic structures of an extremely fragile liquid
2014年12月18日 Nature Communications 5 : 5892 doi: 10.1038/ncomms6892
高温液体における構造の理解は、液体の壊れやすさ、すなわちガラスになりにくさ（結晶化しやすさ）の原因を解明するのに重要な主題である。今回我々は、ガラスにならない酸化物であるZrO2液体の、原子・電子レベルでの構造を報告する。ZrO2のBhatia–Thornton型密度ゆらぎ部分構造因子SNN(Q)（図黒線）は、鋭い第一回折ピークを示さない。この原子構造は、酸素を頂点とするZrO5、ZrO6、ZrO7多面体を含み、多面体の頂点共有に加えて稜共有が大きく寄与している。比較的大きなイオン半径を持つジルコニウムと酸素が形成する短い寿命のZr–O結合は酸素配位数と多面体の結合形式の多様性を引き起こす。このことが、中距離秩序化の発展を妨げて、光学バンドギャップの減少とイオン性Zr–O結合における電子の非局在化の増大をもたらす。こういった特徴を持つ化学結合により、この液体の粘性が極めて低く、鋭い第一回折ピークがないことが説明され、ZrO2液体が極めて壊れやすい液体であることが示される。
小原 真司1,2, ヤッコ アコラ3,4,5, レオニド パトリキーヴ3,6, マッティ ロポ3,4, 尾原 幸治1, 伊藤 真義1, 藤原 明比古1,2, 八尋 惇平1,7, 岡田 惇平8, 石川 毅彦8, 水野 章敏9, 増野 敦信10, 渡辺 康裕10 & 臼杵 毅11
- 高輝度光科学研究センター 利用研究促進部門
- 北陸先端科学技術大学院大学 マテリアルサイエンス研究科
- タンペレ工科大学（フィンランド）
- アールト大学（フィンランド）
- ユーリッヒ総合研究機構（ドイツ）
- ラッペーンランタ工科大学（フィンランド）
- 九州大学 理学研究科 物理学科
- 宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究所
- 学習院大学 理学部 物理学科
- 東京大学 生産技術研究所
- 山形大学 理学部 物質生命化学科
The structure of high-temperature liquids is an important topic for understanding the fragility of liquids. Here we report the structure of a high-temperature non-glass-forming oxide liquid, ZrO2, at an atomistic and electronic level. The Bhatia–Thornton number–number structure factor of ZrO2 does not show a first sharp diffraction peak. The atomic structure comprises ZrO5, ZrO6 and ZrO7 polyhedra with a significant contribution of edge sharing of oxygen in addition to corner sharing. The variety of large oxygen coordination and polyhedral connections with short Zr–O bond lifetimes, induced by the relatively large ionic radius of zirconium, disturbs the evolution of intermediate-range ordering, which leads to a reduced electronic band gap and increased delocalization in the ionic Zr–O bonding. The details of the chemical bonding explain the extremely low viscosity of the liquid and the absence of a first sharp diffraction peak, and indicate that liquid ZrO2 is an extremely fragile liquid.
