ガラスの化学① そもそもガラスとは?

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ステイホームが続いていますが、皆様は如何お過ごしでしょうか?じっくりと本を読んだり、映画を見たりと普段はなかなかできない様な事に取り組んでいる方もいると思います。そんな時に便利なのがスマートフォンです。今やスマートフォンはメールや通話用のただの電話機ではなく、音楽、映画、ゲームから英語の勉強までも、ありとあらゆる事に活用できるツールと言えます。

さて、日常にすっかり溶け込んだスマートフォンですが、この小さなデバイスには様々なテクノロジーが詰め込まれています。スマホの性能を決める様々なハードウェアに、それらを制御するソフトウェアが、ガラスやプラスチックで出来た保護容器としての筐体きょうたいに入っています。そして、ガラスで保護された液晶画面を通して操作したり、コンテンツを楽しんだりしているわけです。

こうして見ると、スマホにはガラスという素材が活用されているのが分かります。そこで気になるのが、そもそもガラスとは一体どのような素材なのでしょうか?ちょっと難しいですが、とっても面白いガラスにまつわるあれこれを、数回に分けてご紹介していこうと思います。

そもそもガラスとは何か?

ガラスと聞くと何をイメージしますか?グラス=ガラスのコップを連想するでしょうか。つまり、硬くて透明な、あのガラスですね。当然、ガラスのコップはガラスで出来ていますが、元素で言えば主にSi(ケイ素)とO(酸素)から出来ています。どんな物質も元素がたくさん集まって出来ています。

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図.1 SiとOの正四面体構造

SiとOの場合では、細かく見ると、図.1のようになったものが繰り返してガラスを形成しています。テトラポットの様な形で正四面体構造と言い、中心にSiが1つ、その周りにOが4つあります。

これを繰り返して繋げていくと、SiとOで出来た物質の構造が出来上がっていくわけです。つまり、Siに注目すると4つのOにつながっており、Oに注目すると2つのSiにつながった構造が、上下左右にずっと繰り返していきます。

さて、この正四面体の箱を繋げて大きくしていきましょう。頭の柔らかい方なら、ひょっとすると複数パターンのつなげ方があることに気付いた方がいるかもしれません。複雑な構造だとイメージが難しいので、SiとOが1つずつあるように横にスライスした面を取り出してイメージしてみましょう。

テトラポットの下半分のように、Siの周りにはOが3つある面を切り出します(実際はこの切り出した面が上下にもたくさん重なっているので、全体でみればSiには4つのOがくっついた繰り返しになります)。
このきっちり並んだ状態をSiとOの「結晶」、すこしランダムに並んだ状態を「非晶質ひしょうしつアモルファス」と言います。

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図.2 A:結晶状態 B:非晶質(アモルファス)状態

例えるならば、将棋の駒を立てて金太郎飴のように綺麗に並べていくのと、将棋崩しのように積み上げる違いでしょうか。どちらも塊となって触れ合って並んでいますが、並び方が異なります。

ガラスが液体?

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ちょっと専門的な、SiとOの構造のお話をしました。そこでこんな疑問を持たないでしょうか。「じゃあ、この2つの状態は何が違うの?」

結晶と言えば、なんとなくイメージはあると思います。塩の結晶、雪の結晶。そうです、結晶とは物質の状態で言うと原子や分子が規則正しく並んでいる固体です。

一方、ガラス製品を作るというと、ガラスを熱して風船のように膨らませてから形を加工していくシーンをイメージすると思います。つまり流動性のある状態=液体です。

加工しやすくするために熱して粘度を低くしたガラスは、温度が下がってくると段々と粘度も上がり、固くなってきます。しかし急激に冷やすため粘度が一気に上がり、分子が結晶の様に綺麗に並ぶ前に動けなくなってしまいます。

つまり、ガラスとは固体に感じるくらいに流動性が低い液体という様な状態であり、これを非晶質(アモルファス)と呼んでいるわけです。実のところ、液体の定義は完全には定まっておらず、ガラスを「ごくわずかに流動性があるから液体」と定義する研究者もいれば、「固体でも液体でもない状態である非晶質状態として分けて定義するべき」と言う研究者もいます。

ガラスと陶器

ガラスとはどのような物かイメージが出来たでしょうか。まさか、固体ではないとは驚きましたね。
ところで、食事の際にガラスのコップと一緒に使うのに、陶器などのお皿がありますね。お皿もコップもどちらも硬いですが、コップは透明でお皿は違います。これらは何が違うのでしょうか。

陶器は非常に歴史のある道具です。日本では縄文式土器や土偶が良く知られており、最古の土器は1万6500年前のものだそうです。一方、ガラスも歴史は古く、紀元前4000年頃の古代メソポタミア文明において、装飾品として出土しているそうです。
 
さて、陶器はどのように作られるのでしょうか。粘土をこねて焼き固めるのはご存じだと思います。これらの粘土質の鉱物や、長石、珪石といった砂を混ぜて焼くことで、焼結しょうけつといって鉱物同士がくっ付くのです。素焼きの壺、と言ったりしますが、陶器は水をゆっくりと通すので、釉薬ゆうやく(うわぐすり)を塗って焼くことで水を通さないようにします。ちなみに、磁器は陶石という鉱石を原料としていて、白っぽく、ほとんど水を通しません。
 

これらの粘土や砂といった自然の鉱物は、ケイ酸塩と総称され、Si(ケイ素)やO(酸素)、Al(アルミニウム)やその他にナトリウムやカルシウム、マグネシウム、カリウム等の金属元素からできています。そう、砂や土はケイ素や金属元素で出来ているのですね!

ガラスは、珪石けいせき珪砂けいさといった、SiやOの含有量が多い鉱物を主原料とします。これを高温で溶融ようゆう=溶かしてドロドロの液体にした状態で純度を高めたり、加工したりします。初めからケイ素の純度が高い原料を使う、というわけです。

非常に奥が深い素材

さて、今回はガラスの性質や物性、自然の原料とガラス質の関係性をご紹介しました。

一方、nanonine.comのコーティングもガラスコーティングですが、こちらは高純度の原料を化学反応させることで、均一なガラス質の層を作り出しています。安全で安定した素晴らしい素材=ガラスというゴールは同じでも、目的に応じて様々なアプローチがあり、そこが腕の見せ所、といった所でしょうか。
 
ガラスの性質や詳細は、実はまだ明らかになっていない点も多く、今も世界中で研究が続けられています。ガラスとは古くて新しい、なんとも不思議な最先端素材なのですね。

皆さんも是非、最先端の技術を使ったナノナイン.comのコーティングで大切なスマホを守ってあげてください。それでは素敵なステイホームを!

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