ガラスはなぜ透明なのか、非晶質の構造の秘密

身近なところにいくらでもあるガラスですが、窓ガラスなど多くの場合完全な透明度を持っています。

多くの固体が非透明なのにガラスが透明である理由は、ガラスは分子が乱れた状態のまま固まった「非晶質（アモルファス）」という構造を持っているためです。

余談ですがこのアモルファスは有機合成をしている者にとっては、なじみ深く困った構造といえます。新しい化合物を合成した場合多くは固体なのですが、反応混合物から目的の化合物を精製するのに最も簡単な方法が結晶化です。

結晶となれば溶媒などでざっと洗うだけで高純度のものが得られますが、時々アモルファスとなってしまうのです。アモルファスは固体にはなるのですが、周りの不純物をすべて巻き込み全く精製にならないのです。

したがっていかにアモルファスとせずに結晶化させるかが、有機化学者の職人的な技となるのです。

さて物質は温度が高まるにつれ分子や原子の運動が活発になり、固体、液体、気体と状態が変わります。水は常圧で０℃以下だと水分子が結合して氷になり、単一の結晶構造を作ります。0〜100℃では水分子が乱れて液体となります。

ガラスは固体であっても結晶ではなく、分子が乱れた構造のまま固まり非晶質と呼ばれ、構造上は水と同じとも言えます。一般的な固体は多くの結晶が集まっており、その境目で光が散乱し不透明になります。

しかしガラスには結晶構造が無く、主成分の二酸化ケイ素は光を吸収しないために光が透過できるのです。ガラスは高温の液体を、結晶を作る間もないほど急冷して作る方法が一般的です。

二酸化ケイ素を含むガラスの原料を1000℃以上に加熱して液体にし、数時間で室温まで冷ましてつくります。二酸化ケイ素が地下深くの高温高圧でゆっくり冷えると、結晶が成長して水晶となります。

ガラス以外でも液体を急冷する方法で理論上はすべての物質を非晶質にすることができ、複数の金属原子からなる「アモルファス金属」もそのひとつです。その例として書き換え可能なDVDがあり、記録面には複数の金属元素が結晶の層を作っています。

強いレーザーを使って高温で溶かし、室温で急冷すれば部分的に非晶質になります。また弱いレーザーを当てて比較的低い温度で溶かし、室温でゆっくり冷えれば結晶に戻せることになります。両方を使い分け、情報を刻んだりリセットすることができる仕組みとなっています。

このようにガラス状の非晶質と結晶の使い分けの利用は非常に進んでいるのですが、何故物質がガラス状態になるのかは、今も物理学の未解決問題とされ、さまざまな研究が進められているようです。

まあ何故ガラスは透明かという単純な問題も、奥が深いといえそうです。