日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）、日本物質材料研究機構等組成的國際研究團隊研究發現，鉺（稀土元素之一）的氧化物Er2O3即使在高溫下熔化變成液體，其原子也是有序排列的，呈現出像晶體一樣的結構。這是透過在國際太空站（ISS）上實驗和利用大型同步輻射設施「SPring-8」（兵庫縣佐用町）進行分析取得的成果，這一成果有助於加深對玻璃的理解併爲開發智慧型手機用高性能玻璃等做出貢獻。
人類從公元前就開始加工和使用玻璃。當時主要以氧化物爲原料，原子和分子不像晶體那樣有序排列，而是在不規則的狀態下冷卻硬化。製作方法是加熱原料變成液體然後迅速冷卻，不過當時形成玻璃物質和形成晶體的物質之間的區別至今仍不太清楚。在原子和電子水平查清這種區別成爲重要課題。
以往的研究主要致力於形成玻璃的氧化物液體的結構調查，但此次研究團隊改變了方針，着眼於不會變成玻璃的液體。試着調查了其中之一的Er2O3的原子排列和電子狀態。
但是Er2O3的熔點非常高，要高達2413攝氏度，變成液體的話會與容器發生反應等，很難做實驗。因此，研究團隊利用ISS的日本實驗樓「希望號」裏面的分析裝置「靜電懸浮爐」，透過靜電使Er2O3懸浮，測量了其密度。另外，還利用SPring-8的高能X射線繞射量測裝置，透過氣體使樣本懸浮，測量了其結構。
SPring-8的分析結果顯示，Er2O3的液體與不會變成玻璃的其他液體相比，原子排列的規則性非常高，像晶體一樣。另外，利用透過懸浮爐獲得的密度資料和電腦模擬製作三維模式發現，原子的聚集體呈扭曲狀態，這是不會變成玻璃的其他高溫液體所沒有的現象。此外，透過仿真和尖端數學進行解析發現，Er2O3的液態特徵在位相關係上與晶體相似。
液態Er2O3的扭曲原子聚集體（圖片由日本物質材料研究機構提供）
透過該成果取得的有關高溫液體的發現，有助於查清玻璃的形成條件，以及瞭解高溫液體岩漿形成礦產的程序，也就是地球的起源。除這些基礎科學外，還有望爲材料創新開闢道路，比如提高智慧型手機的屏幕蓋板和鏡頭用玻璃以及耐熱陶瓷的性能等。
日本物質材料研究機構先端材料解析研究基地的小原真司主任研究員（無機材料科學）表示：「這是結合使用地面上和太空中的高級設備取得的成果。可能是因爲Er2O3的液體結構在位相關係上與晶體相似，所以才不會變成玻璃的。今後需要進一步調查。」
研究團隊的成員除JAXA和物質材料研究機構外，還有挪威科學技術大學、日本的琉球大學、京都大學、弘前大學、函館工業高等專門學校、東北大學、AES、高輝度光科學研究中心和理化學研究所。相關研究成果已於6月2日發佈在英國材料科學領域的專業期刊《NPG Asia Materials》上。
文：JST Science Portal編輯部
中文：JST客觀日本編輯部
