神戸大学大学院 理学研究科 化学専攻 無機化学講座 固体化学研究分野

内野 隆司

結晶とガラス

構造の規則性と透明性について

講演内容

１． 結晶とは何か？ ２． ガラスとは何か？ ３． 結晶とガラスの類似点と相違点 ４． ガラスはなぜ透明か？ ５． ガラスが溶けるとどうなるか？

１． 結晶とは何か？ ２． ガラスとは何か？ ３． 結晶とガラスの類似点と相違点 ４． ガラスはなぜ透明か？ ５． ガラスが溶けるとどうなるか？

講演内容

いろいろな結晶

雪 (H2O) 水晶 (SiO2) ダイヤモンド(C)

ダイヤモンド結晶中の単位胞（unit cell）における炭素原子の配列

結晶 (Crystal)

結晶とは

規則的単位構造が周期的に配列 して空間を埋め尽くしたもの

なぜ結晶構造をとるのか？

結晶では最密充填構造をとることが多い

最密充填構造

規則的単位構造が周期的に配列して空間を埋め尽くすことで 原子の充填率が上昇し，原子間の化学結合力が最大となる。

自然界の最密充填構造

これは結晶だろうか

準結晶 (quasi crystal) 1982年 イスラエル工科大学のダン-シェヒトマン博士 発見(Al-Mn) 2012年 ノーベル化学賞受賞

単位構造はあるが周期性はない

１． 結晶とは何か？ ２． ガラスとは何か？ ３． 結晶とガラスの類似点と相違点 ４． ガラスはなぜ透明か？ ５． ガラスが溶けるとどうなるか？

講演内容

ガラス

ガラスの特徴 （１）大きな透明体の作製が可能 （２）自由自在に変形可能

ガラス発祥の地（BC 4000-1000)

１． 結晶とは何か？ ２． ガラスとは何か？ ３． 結晶とガラスの類似点と相違点 ４． ガラスはなぜ透明か？ ５． ガラスが溶けるとどうなるか？

講演内容

結晶とガラスの類似点

結晶(SiO2)

密度 2.65 g/cm3

ガラス (SiO2)

密度 2.2 g/cm3

結晶とガラス:いずれも固体である

結晶とガラスの違いは何だろう

結晶 ガラス

結晶とガラス（SiO2）の構造の比較

周期性 規則性

周期性 × 規則性

化学結合力（エンタルピー） 乱雑さ（エントロピー）

系にエネルギーが注入 されると構成原子は運動 し始める 高温で優勢

規則的，周期的に原子が 配列した時に最も大きくなる 低温で優勢

物質の構造を決める二つの因子（熱力学の法則）

液体から結晶への変化

高温 低温

乱雑さが優勢

液体

融点（凝固点）

液体から結晶への変化

高温 低温 融点（凝固点）

固体

液体

液体から結晶への変化

高温 低温 融点（凝固点）

化学結合力が優勢

固体（結晶）

液体から結晶への変化

高温 低温 融点（凝固点）

化学結合力が優勢

固体（結晶） 固体

液体

乱雑さが優勢

液体

液体からガラスへの変化

高温 低温

乱雑さが優勢

液体

融点（凝固点）

液体からガラスへの変化

高温 低温

液体

融点（凝固点）

液体からガラスへの変化

高温 低温

液体（過冷却液体）

融点（凝固点）

液体からガラスへの変化

高温 低温

ガラス

融点（凝固点）

液体からガラスへの変化

高温 低温

ガラス

融点（凝固点）

ガラス転移温度

液体からガラスへの変化

高温 低温

ガラス

融点（凝固点）

ガラス転移温度 乱雑さが優勢

液体

急冷 ガラス：液体を急冷することで液体の乱れた 構造を保持したまま固体化した物質

身の回りにあるガラス（非晶質）物質

透明なもの or 柔らかいもの

変化するのに長い時間がかかる

詳しい理由はまだよくわかっていない （20世紀の科学の未解決問題の一つ）

液体 結晶

ガラスはどうして結晶に変化しないのか

１． 結晶とは何か？ ２． ガラスとは何か？ ３． 結晶とガラスの類似点と相違点 ４． ガラスはなぜ透明か？ ５． ガラスが溶けるとどうなるか？

講演内容

ガラスはなぜ透明か

光

透明でない物質（粒子の表面で光が散乱）

ガラスはなぜ透明か

液体またはガラス（物質が均一なので光は直進）

ガラスが透明なのは液体が透明であることと 同じ理由による

光

講義内容

１． 結晶とは何か？ ２． ガラスとは何か？ ３． 結晶とガラスの類似点と相違点 ４． ガラスはなぜ透明か？ ５． ガラスが溶けるとどうなるか？

ガラスの融解状態

ガラス融液の特徴

ガラス融液に電気は流れるか？

結晶とガラス，あなたはどちらが好きですか？

www.sciencephoto.com 結晶 ガラス

ありがとうございました