ガラスのハイテク3

ガラスの特徴とは何か

これだけ身近な存在となったガラスだが、具体的なその性質や組成
などは、意外と知られていないのではないだろうか。ガラスは、ま
るでその透明性のように存在感を希薄にして、私たちの暮らしに役
立っているかのようである。

ガラスを特徴づけるその化学組成をみてみると、最も重要な成分は
金属の酸化物であって金属元素と酸素が結合した形をしている。そ
の主要成分とは､金属元素の珪素(Si)と酸素(O)が結合した酸化珪素
(SiO2)である。こういう記号が出てくるとすこし小難しいが、もう
少々、お付き合いをお願いしたい(^^;

この酸化珪素を多量に含み､さらにソーダ(NaO2)と石灰(CaO)という
酸化物を含んだガラスが、我々がふだんもっとも身近な存在として
目にしているソーダ石灰ガラスである。主成分の割合比の一例を重
量比でみると、酸化珪素73%、ソーダ13%、石灰11%となっている。

またガラスの最も重要な物理的性質としては、｢ガラス転移温度｣を
持っていることがあげられよう。耳慣れない言葉だが、ガラスの科
学ではこの言葉でガラスの性質を次のようにいい表している。

｢ガラスは､ガラス転移温度を持ち、この温度以下では硬いガラス状
態にあるが、ガラス転移温度以上では、液状となり、温度が上がる
とともに流動性を増す｣

例えば氷や塩などの結晶する物質をみるとはっきりとした融点があ
る。氷は０℃で液体の水になる。これは、結晶では原子が規則的に
並んでいたものが、融点に達するとこの原子配列が一気に崩れて無
秩序に原子が動き回る状態を示すからだ。

ところがガラスの場合ははっきりした融点がない。身近なソーダ石
灰ガラスでは 500℃付近の温度で軟らかになりはじめ、温度が上昇
するにしたがって徐々に流動性を増す。そして柔らかくなりはじめ
た温度以下になると、結晶化することもなく、分子がバラバラの状
態なのに、またそのまま固まってしまう。

ガラスは、液体の状態にある無秩序な原子がガラス転移温度付近で
その無秩序なまま固定されて、固体のガラスとなる性質を持ってい
る不思議な物質である。この液状の原子状態のまま固化する特異な
性質をガラス転移という。ガラス転移温度は、ガラスの組成によっ
て変わり、例えば、もうひとつの代表的なガラスである鉛ガラスは
このガラス転移温度がもっと低い。

このガラス転移という性質は、実はガラス以外の物質でも起きるこ
とが発見されている。中でもアモルファス金属と呼ばれる非結晶金
属は、ある温度以下でガラスと同様に結晶を示さずに固化する。

アモルファスとは｢形がない｣という意味であり、結晶体のような特
有の外形を示さないものを指す。そこでガラスを改めて定義すると
｢非晶質でかつガラス転移点をもつ無機固体｣ということになる。

このガラス転移点を持つことが、ガラスの最大の特質であり、この
性質を利用して、ガラスが私たちの暮らしの中において、さまざま
な場面で使われているのだ。そのひとつの例を見てみよう。

優美な曲線を描いて透き通った美しさを見せるガラスの花瓶は、こ
のガラス転移点なしには形成し得ないのである。もしガラスが結晶
でしか固まらなければ、花瓶はすべてキューブにならざるを得ない
といってもいいかもしれない。

[4]へ続く