ペサハ・ベンソン著 • 2026年4月30日

エルサレム、2026年4月30日（TPS-IL）– 構造に明らかな変化がないにもかかわらず、液体が剛性のあるガラス状固体に変化する仕組みに関する新たな研究が、1世紀にわたる物理学の謎の解明に近づいている。この発見は、食品生産、ゲル、セメント、さらには医療にも影響を与える可能性がある。

「ガラス転移」として知られるこの現象は、食品から塗料、ゲルに至るまで、多くの日常的および工業的な材料に影響を与えるが、流動する液体がいつ突然硬化するかを正確に予測することは困難であった。材料は顕微鏡レベルではほとんど変化しないにもかかわらず、固体のように見えるようになるため、100年以上にわたり科学者を悩ませてきた。

イスラエルとドイツの科学者チームは、材料に埋め込まれた微小な粒子を追跡することにより、転移を観察するための新しい実験方法を導入した。テルアビブ大学化学部ハイム・ディアマント教授とヤエル・ロイヒマン教授が、ハインリヒ・ハイネ大学デュッセルドルフのステファン・エーゲルハーフ教授の研究グループと協力して実施したこの研究は、査読付きの学術誌『Nature Physics』に掲載された。

「この研究の意義は、ガラス転移の新しい兆候を特定しただけでなく、現象全体に新たな視点を提供したことにもある」とディアマント氏は述べた。「我々の発見は、ガラス転移は単なる粒子運動の漸進的な遅延ではなく、材料内の点から点への運動量の伝達方法の根本的な変化を伴うことを示している。」

研究者たちは、モデルシステムとしてコロイド（微細粒子で満たされた液体）を使用した。コロイドは、微細な固体粒子が液体中に懸濁している混合物であり、材料は液体のように流れることができる一方で、粒子の充填密度によって複雑な挙動を示す。粒子密度が増加すると、システムは混雑し、「ジャム」状態になって固体のように振る舞う。

主な革新は、周囲の材料の動きが劇的に遅くなった場合でも移動可能な非常に小さなトレーサー粒子を追加したことである。これらのトレーサーのペアを高度な顕微鏡で追跡することにより、科学者たちはリアルタイムで運動と力がシステム全体にどのように広がるかを測定することができた。

その結果、材料の挙動に明確な変化が見られた。液体では、運動はシステム全体に長距離にわたって広がる。ガラス状態に近づくと、この伝播は崩壊し、材料は運動量を伝達するのではなく吸収する固体のように振る舞い始める。

この研究は、この転移の3つの明確な兆候を特定した。第一に、距離とともに空間相関が減衰する方法の変化。第二に、粘度の増加に関連する特徴的な長さスケールの増大の出現。第三に、隣接する粒子の間の反対方向の運動の出現であり、これは固体の主要な特性であるせん断抵抗の発達を示している。

基礎物理学を超えて、この方法には重要な実用的な応用がある。ゲル、塗料、食品、およびセメントやセラミック懸濁液などの工業材料の設計と加工の改善に役立つ可能性がある。これらのシステムの多くは、スムーズに流れる状態から詰まったり固化したりする状態に突然変化する可能性があり、製造において大きな課題となっている。新しいアプローチは、これらの転移をより良く予測および制御し、安定性、テクスチャー、および性能を向上させる方法を提供する。

この技術は、組織、血液、細胞環境が部分的に液体で部分的に固体のように振る舞うことが多い生物学や医学にも役立つ可能性がある。これらのシステムがいつ、どのように硬化するかを理解することは、創傷治癒、疾患の進行、および体内の材料の一貫性の制御された変化に依存する薬剤送達システムに関する研究を改善する可能性がある。