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ガラスは液体は正しいのか?固体ではないって本当?


 Wikipediaによれば、そもそもガラスと呼ばれるものは複数ありますが、一般的には下記の意味です。

古代から知られてきたケイ酸塩を主成分とする硬く透明な物質。グラス、玻璃(はり)、硝子(しょうし)とも呼ばれる。「硝子」と書いて「ガラス」と読ませる事もよくある。化学的にはガラス状態となるケイ酸化合物(ケイ酸塩鉱物)である。他の化学成分を主成分とするガラスから区別したい場合はケイ酸ガラスまたはケイ酸塩ガラスと言う。石英ガラスも含まれる。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%AC%E3%83%A9%E3%82%B9


 ちなみに語源としては、下記です。

日本語のガラスの元になったオランダ語glasの発音は、英語のglass同様グラスに近いが(より近いカタカナ表記は「フラス」。オランダ語のgはのどを震わせる発音。英語・ドイツ語とは異なる)、日本語化した時期が古いため、ガラスとなった。日本語での「グラス」は多くの場合はケイ酸塩ガラスでできたコップの意味になる。

 私は英語由来だと思っていましたが、時期を考えると確かにオランダ語の影響が強かった頃ですね。勘違い。


 今日のお題は「ガラスは液体」なのですが、これ以外に「液体ガラス」というものもあります。こちらは下記の通り、造語のようです。

液体ガラス(えきたいガラス)は、TBS系列のドキュメンタリー番組「夢の扉 〜NEXT DOOR〜」で、(株)日興の塩田政利氏が出演した「ガラス塗料で建築物の長寿命化・無害化を成し遂げたい」の回で紹介されたのがはじまりである。液体ガラス(えきたいガラス)は化学や物理に基づいた名称ではなく、制作会社がシリコーン化合物のイメージをわかりやすく伝えるために名づけた造語である。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%B6%B2%E4%BD%93%E3%82%AC%E3%83%A9%E3%82%B9

 その他、別サイトだとこんなことを書いています。同じものなんですかね?

液体ガラス・常温ガラスコーティング - 液体ガラス・常温ガラスコーティング

普通の温度でガラスが液体となっていて、これを物体面に塗ると硬化して固
体のガラス質になるというものです。「液体ガラス」、「ガラス塗料」などと言うと
きがあります。
 主成分が二酸化ケイ素SiO2のシリカ溶液で、空気にさらしておくと常温で硬
化し、非晶質のガラスである固体へ変化します。

 無機質で一種のセラミックスであり、硬質で汚れにくく、安全性が高く、紫外
線や薬品などに強く、不燃性で耐久性などの性質があります。

http://www12.plala.or.jp/u-v/index.html


 しかし、今日は最初に書いたごく普通のガラスに関してです。

 濱田特殊硝子ではこれに関するコラムがあり、以下のように書き出しています。

ガラスのまめ知識/濱田特殊硝子/大阪の特殊硝子(ガラス)販売・製造・加工会社

ガラスは個体(引用者注:誤字。固体)か、液体か。この問いに対して、ほとんどの方は「個体」と答えるでしょう。ガラスは目に見え、触ることもできるからです。

http://www.hamatoku.co.jp/know/index.html

 じゃあ、液体ってのが正解?と思ってしまいますが、とりあえずそこには

"30年ぐらい前には、ガラスは本当は液体であるという説と、固体であるという説に分かれていました"

 とある上に、次のようにあります。
ガラスを定義することはなかなか難しく、これまでいくつかの定義が発表されていますが、もっとも有名なのが「(構造論的にみて)ガラスは過冷却状態にある液体である」という考え方です。「ものすごく冷えた液体」というわけです。石の粉を主原料として溶かしたもの(液体)が、そのまま固まっている状態。
ふつうの個体(結晶)は分子が規則正しく並んでいますが、個体のように見えるガラスの分子は、液体のように勝手気ままな方向に向いているため、ガラスは固まっていても液体と分類されていました。

 先のWikipediaでも次のような説明があり、これが私の記憶していたものです。
ガラスは過冷却およびガラス転移により粘度が非常に高くなった液体であるという捉え方もある。なお、例えば古い建物の窓ガラスは、それが理由で上部のガラスが下の方に垂れたような形になっているとされた(略)

 「へー、実は液体なんだ!」と言うと、すごくおもしろいわけなんですが、どうやらこの説明は間違いだったようです。

 Wikipediaでは続けて、

計算によれば千年くらいではとてもそのような差は起きず、実際はガラスの製法によるもので、建設当初からそのような垂れた形になっていたことがわかった。

 とあります。下の方に垂れたような形になっているガラスは証拠ではなく、単なる製造不良でした。

 濱田特殊硝子も"最近では考え方が変わってきています"として、違う説を紹介していました。
「ガラス=液体」はいささか無理があるようで、最近では「過冷却状態を経由してガラス状態になったもの」という考え方になってきています。ガラスを定義するのに「ガラス」という言葉を使っているため、たいへん分かりずらくなっていますが、簡単に言いますと「ガラスは液体のような性質を持った固体のようなものである」ということになります。
すごくあいまいな定義ですが、実は、ガラスについてはまだはっきりと解明されていません。

 最初のWikipediaではわざと飛ばしていましたが、そこでは"ガラス状態"という言葉が使われていました。

 また、いくつかあるガラスの定義のうち、一つは次のようなものでした。

昇温によりガラス転移現象を示す非晶質固体。そのような固体となる物質。このような固体状態をガラス状態と言う。結晶と同程度の大きな剛性を持ち、粘性は極端に高い。非晶質でもゴム状態のように柔らかいものはガラスとは呼ばない。

 これを見れば一目瞭然、ガラスとは液体ではなく固体の状態の一種であるガラス状態だったのです。

 また、"語源的にはケイ酸塩ガラスの固体状態を他の物質が取っている場合をもガラスと呼ぶようになったものである"という説明もあり、こちらでもガラスが固体であることは明らかでした。

 最初からこれらを書いていれば一発解決だったのですが、おもしろくないので冒頭では隠していました。


 なお、ガラス転移点の説明も載せておきます。ただ、面倒な話なので、読み飛ばして結構です。

 私は「ガラス転移点」ではなく、「ガラス転移温度」と呼んでいましたが、Googleの変換でも「ガラス転移温度」が出ましたので一般的と思われます。

ガラス転移点(ガラスてんいてん)は非晶質固体材料にガラス転移が起きる温度であり、通常 Tg と記される。

固体の結晶を加熱してゆくと融点で液体に変わり始め、固体と液体が共存する間は温度が融点に維持され、固体が全て液体に変わると、またその温度が上昇してゆく。だが非晶質の固体を加熱した場合は、低温では結晶なみに堅く(剛性率が大きく)流動性がなかった(粘度が測定不可能なほど大きかった)固体が、ある狭い温度範囲で急速に剛性と粘度が低下し流動性が増す。このような温度がガラス転移点である。ガラス転移点より低温の非晶質状態をガラス状態といい、ガラス転移点より高温では物質は液体またはゴム状態となる。ガラス転移点を持つ代表的な物質には、合成樹脂や天然ゴムなどの高分子、昔から知られたケイ酸塩のガラスがある。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%AC%E3%83%A9%E3%82%B9%E8%BB%A2%E7%A7%BB%E7%82%B9


 もう一つ、ガラスの方の説明にアモルファスという面倒なものが載っています。

 こちらもややこしいので読まなくて結構ですが、さらっと。
ガラスとアモルファスは、ほぼ同義のものとして捉えてよい場合が多いが、ガラス転移点が明確に存在しない場合をアモルファスと定義するような場合(分野)もある。ガラス転移とは主緩和の緩和時間が100s〜1000sの温度で起こる。

 私も意味を忘れたので、アモルファスの方の意味。(たぶんまたすぐ忘れるんですが)

アモルファス (amorphous)、あるいは 非晶質(ひしょうしつ)とは、結晶のような長距離秩序はないが、短距離秩序はある物質の状態。これは熱力学的には、非平衡な準安定状態である。

amorphous は、morphous(形を持つ)に「非」の意味の接頭辞 a‐ が付いた語。結晶は、明礬や水晶のようにそれぞれ固有の結晶形態を持っており、morphous である。しかし、急冷や不純物が混じった状態で出来た固体は、時間的空間的に規則的な原子配列が取れず非晶質となり、不定形である。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A2%E3%83%A2%E3%83%AB%E3%83%95%E3%82%A1%E3%82%B9

 ああ、「非晶質」自体はその前でもさんざん出ていましたね。


 今回の話は「ガラスが液体って予想外、おもしろいね」ってことでメモしていたのですが、そうではなかったわけでちょっと残念です。


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