衝撃耐性ガラスが市場を変革する

耐衝撃ガラスは、安全性、電子機器、建設などの分野で次の大きな進歩となる可能性があります。東北大学の技術者が率いる研究チームは、耐衝撃ガラスを作る方法を示す研究を発表しました。分子レベルの仕組みによって、ガラスの割れにくさを高めます。耐衝撃ガラスと、今後さまざまな産業を変える可能性について紹介します。

ガラスが割れる仕組み

研究の重要性を理解するには、従来のガラスがどのように割れるかを知る必要があります。一般的なのは衝撃による破損です。硬い物体や高速で動く物体がぶつかると、ガラスの弱い部分から割れます。鋭い破片が広く飛散するため、最も一般的であると同時に危険な破損の一つです。

熱による負荷

温度差も破損の原因です。ガラスは熱の影響に適切に対応できるよう製造する必要があります。そうしなければ、大気圏へ再突入する宇宙船のような条件下で高温になり、溶けることさえあります。

表面に付着物が蓄積して加熱が不均一になることも、熱による破損の原因です。一部分だけが加熱または冷却されると、変形し、条件によっては最終的に割れます。

曲げ

曲げやねじれによる破損は建設でよく見られます。建築時には、さまざまな気象条件や温度の下で、建物が風によってどう動くかを考慮する必要があります。設計や取り付けが不適切な窓は、暴風や地震で建物にねじれが生じたときに突然割れることがあります。

内部の製造工程

製造工程の不具合も原因になります。ガラスには多くの種類があり、品質を保つための配合がそれぞれ異なります。製造時に配合を誤ると内部応力が生じ、特定の条件下で材料が弱くなります。

複雑な合わせガラスや強化ガラスが開発されるにつれ、この種の破損が増えています。外力ではなく化学組成によって特定の部分が弱くなる場合があり、熱が加わると起こりやすくなります。

種類によって異なるガラスの割れ方

研究者は以前から、使用環境に耐えるガラスを設計する重要性を理解してきました。そのため現在は、さまざまな用途に応じた多くの種類があります。

徐冷ガラス

徐冷ガラスは現在最も一般的な種類です。最も長い歴史があり、割れると大きく鋭い不規則な破片になります。より安全な代替品によって使用は減っていますが、今も最も簡単かつ安価に製造でき、生産量も最大です。

強化ガラス

強化ガラスは、割れたときに小さな破片になる特別なガラスです。従来のガラスの大きな破片は飛ぶ刃物のようにけがを引き起こすため、強化ガラスの方が安全とされています。破片が小さければ、深い切り傷の危険も減ります。

合わせガラス

合わせガラスは安全性をさらに高めます。複数のガラス層の間に薄い透明なプラスチックを挟み、割れても破片が飛散しにくくなっています。プラスチックが破片をつなぎとめ、車内や室内へ大きな破片が飛び込むのを防ぎます。

ガラスへの新しい理解

何世紀にもわたり、研究者はガラスの耐久性を高め、破片による損傷を減らす方法を探ってきました。最近までは主に化学や材料科学の実験と進歩に限られていましたが、今回の研究は初めて深い分子レベルで破損を調べています。

研究者はガラスの分子が離れるときに何が起こるかを理解しようとしました。このレベルの研究に必要な光学技術や装置は、最近まで存在しませんでした。特に、ナノ秒単位で動く分子を追跡する必要がありました。

耐衝撃ガラスの研究

研究論文¹は、学術誌Acta Materialiaに掲載され、ジョハリ–ゴールドスタイン（JG）過程を原子レベルで詳しく調べています。この過程は1969年、特定の条件下でのガラス状物質の分子挙動を説明するために提案されました。当初はガラスの融解の説明に使われ、その後は多くの状態変化に応用されました。

研究者はこの理論に専用のコンピューターモデルと原子の分子レベルでの観測を組み合わせ、破損時に何が起こるかを調べました。衝撃や応力が加わると、ガラス内の原子が新しい位置へ跳躍することを見いだしました。

ソース – Makina Saito

周囲の原子が新しく生じた空間へ移動して隙間を埋め、割れていない部分の応力を一部緩和します。チームは、準球状のモデルイオン性ガラス形成物質Ca0.4K0.6(NO3)の原子運動を検出しました。

原子運動のモデル化

コンピューターシミュレーションによって、曲げ、温度、衝撃力など多数の条件を変更して実験できました。モデルは信頼できる結果を生み、ガラスが特定の割れ方をする理由への理解を深めました。

耐衝撃ガラスの試験

理論の検証には、X線時間領域干渉法による原子運動の観測を用いました。ナノ秒単位で原子を追跡でき、さまざまな放射光実験を実施してデータを記録できました。

耐衝撃ガラスのコンピューターシミュレーション

この研究の特徴の一つはコンピューターシミュレーションです。チームは放射光実験で得たデータからシミュレーションを作成しました。分子動力学（MD）シミュレーションにより、研究費を抑えながら試験をさらに高度化できました。

耐衝撃ガラスの研究結果

結果は注目すべきものでした。ガラス粒子の大部分がナノ秒の時間尺度でオングストローム規模の運動をしていました。この情報から、原子の跳躍と集団運動を改善し、より強い材料を作る方法を検討できました。将来は曲げが集中する部分を分子レベルで強化し、壊滅的な破損を防ぐガラスに応用できます。

耐衝撃ガラスの利点

この研究はガラス産業に多くの利点をもたらします。特に、安全ガラス、車両の窓、監視施設、工具、電子機器などで、より丈夫で安全なガラスを使えるようになります。

特定のパターンで割れるガラスを作れる可能性もあります。一定の圧力で応力を解放する必要がある場合に、制御された割れ方によって危険な飛散を減らせます。クラッカーが点線に沿って割れる様子を想像してください。

この技術はほかの建材ですでに使われています。たとえば歩道には、地面の動きによる圧力が限界に達した際に割れるよう設計された線があります。技術者は破損を予測し、整然とした位置に誘導できます。同じ考え方をガラス構造物に用いれば安全性がさらに高まります。

耐衝撃ガラスの新しい基準

チームが業界の新しい安全基準を作ろうとしている点も重要です。強化ガラスと合わせガラスはすでに数百万人の安全を向上させています。耐衝撃性の高いガラスを設計する共通指針は、数千の産業で安全性を高め、製品をより厳しい基準に対応させる可能性があります。

耐衝撃ガラスの研究者

研究は東北大学のMakina Saito教授と研究チームが主導し、京都大学、島根大学、物質・材料研究機構、高輝度光科学研究センターも参加しました。各チームはさらに丈夫なガラスの実現へ研究を進めています。

用途

耐衝撃ガラスには多くの応用があり、電子機器を丈夫にすることもその一つです。スマートフォンを落として画面を割った経験があれば、何百万人もの人にとっての価値が分かるでしょう。

建設

建設業界は、耐衝撃ガラスによってハリケーンや竜巻に強い建物を作れます。強風や極端な温度にも耐えるガラスは、より汎用的で効率のよい選択肢になります。

軍事用途

より強い防弾ガラスも用途の一つです。世界の紛争では小型・個人用兵器が高度化しており、状況把握を妨げずに軍人を守ることが一層重要です。この研究は、現在なら死傷者が出るような被弾に耐える防弾ガラスにつながる可能性があります。

耐衝撃ガラスの研究から恩恵を受ける可能性のある企業

丈夫で飛散しにくいガラスの恩恵を受ける企業は多く、自動車メーカーから電子機器メーカーまで幅広く存在します。強度を増し、製造費を下げ、性能を高める方法は歓迎されます。将来この技術を導入できる企業の一つを紹介します。

Corning Inc.

Corning Inc. (GLW )は、保護ガラスと関連技術の大手です。人気のGorilla Glassブランドを展開し、先端光学、ディスプレー用ガラス、光通信技術を専門としています。

Corningは強固な財務基盤を持つ業界の先駆者です。パートナー、投資家、研究者からなる大きなネットワークが同社の地位を支えています。最近はAT&T (T )との戦略的提携を発表し、両社間の複数年の購入契約を拡大しました。

Corningは先端光学研究の主要企業です。何十年も業界大手と協力して複雑な課題の解決に取り組み、現在は世界有数の高性能ガラスメーカーとして認められています。

GLWが検討に値する理由はいくつかあります。Corningは2017年のSpiderCloud、2016年のSTRAN TechnologiesとAllied Fiber Optic Productsなどを買収し、能力と顧客基盤を拡大してきました。

今後の展望

耐衝撃ガラスの将来は明るく、航空、移動、光学、電子機器、建物などをより安全にできます。透明な潜水艦から太陽の熱に耐える宇宙船まで、研究者には多くの探究の余地があります。

耐衝撃ガラスが大きな変化をもたらす

丈夫なガラスはさまざまな分野に興味深い進歩をもたらします。ガラスがいつ、どのように破損限界へ達するかを理解するため、新しい手法とモデルを導入したチームは評価に値します。破損要因を取り除くことで、より安全で活力ある未来が開けます。

材料科学のほかの進歩についてもご覧ください。

研究の参考文献：

^{1. Saito, M., Araki, T., Onodera, Y., Ohara, K., Seto, M., Yoda, Y., & Wakabayashi, Y. (2024). モデルイオン性ガラスにおけるストレス緩和のジョハリ–ゴールドスタイン過程を導く集合的な非ジャンプ運動の発見. Acta Materialia, 262, 120536. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120536}