液体とガラスに隠れた、重要な構造的特徴を明らかにする
Revealing key structural features hidden in liquids and glasses
2019年5月1日 Nature Reviews Physics 1 : 5 doi: 10.1038/s42254-019-0053-3
固体物理学の大きな成功は、逆格子（波数ベクトル）空間における結晶構造のキャラクタリゼーションに負うところが大きい。フーリエ空間における構造キャラクタリゼーションが有効なのは、並進対称性と回転対称性の破れのおかげである。しかし、結晶と異なり、液体や非晶質固体は、巨視的スケールで連続的な並進対称性と回転対称性を持つため、フーリエ空間での解析はそれほど有効ではない。最近、いくつかの研究により、液体やガラスにおいても、並進対称性や回転対称性が局所的には破れていることが示された。今回我々は、一見無秩序に見える液体やガラスの局所的な構造的特徴を、実空間でキャラクタリゼーションするのに有効な数学的手法について概説する。我々は、液体やガラスの局所的秩序化を、エネルギー駆動型とエントロピー駆動型の2種類に分けて考える。エネルギー駆動型の秩序化は、対称性を選択するような方向性結合によってエネルギー的に好まれ形成され、水、シリコン、ゲルマニウム、シリカなどの水型の液体において共通に観察される、異常な挙動の原因となる。一方、エントロピー駆動型の秩序化は、エントロピー的に好まれ形成され、剛体球的なガラス形成液体に見られる不均一な遅いダイナミクスとの関連性がある。また、我々は、そうした局所的秩序化と結晶構造の関係、さらには、それがガラス形成能に及ぼす影響についても論じる。
Corresponding Authors
A great success of solid state physics comes from the characterization of crystal structures in the reciprocal (wave vector) space. The power of structural characterization in Fourier space originates from the breakdown of translational and rotational symmetries. However, unlike crystals, liquids and amorphous solids possess continuous translational and rotational symmetries on a macroscopic scale, which makes Fourier space analysis much less effective. Lately, several studies have revealed local breakdown of translational and rotational symmetries even for liquids and glasses. Here, we review several mathematical methods used to characterize local structural features of apparently disordered liquids and glasses in real space. We distinguish two types of local ordering in liquids and glasses: energy-driven and entropy-driven. The former, which is favoured energetically by symmetry-selective directional bonding, is responsible for anomalous behaviours commonly observed in water-type liquids such as water, silicon, germanium and silica. The latter, which is often favoured entropically, shows connections with the heterogeneous, slow dynamics found in hard-sphere-like glass-forming liquids. We also discuss the relationship between such local ordering and crystalline structures and its impact on glass-forming ability.
