大阪大学
产业技术综合研究所
冈山大学
东京大学

【研究成果要点】

• 在玻璃等非晶材料中，容易变形柔软的地方是否具有某种结构特征，由于现有方法难以提取复杂的网络结构特征，因此是长年的谜团
• 通过应用拓扑的解析方法，明确了材料的柔软区域具有原子排列方式中规则性和混乱共存的层次结构
• 这一见解有助于今后设计不易破裂的玻璃等柔软结实的非晶材料

　大阪大学产业科学研究所南谷英美教授、产业技术综合研究所材料DX研究中心主任研究员中村壮伸、冈山大学学术研究院异领域融合教育研究领域（AI·数理）的大林一平教授、东京大学研究生院综合文化研究科的助教水野英如组成的研究小组，通过应用数学拓扑的手法，明确了非晶中力学响应的结构因素。
具有非晶态结构的材料具有与晶体不同的电导特性和机械特性，广泛应用于太阳能电池和涂层材料等。对非晶施加应变时，除沿应变位移外，还会产生不均匀的原子位移。这被称为非仿射变形，是非晶中的特征力学响应。非仿形变形大的部分容易变形，被认为是柔软的，但是那里是否有构造特征，长期以来还不清楚。其原因是，为了表征非晶的复杂结构，提取出被称为中程有序的多个原子排列的纠缠，在分析结合距离和结合角度的通常方法中是困难的。
此次，研究小组应用作为拓扑数据解析之一的珀西斯滕拓扑，抽出与非晶结构内的中程秩序对应的原子制作的各种大小的「环」的信息，调查了它们和非仿射变形的相关性。结果表明，容易发生非仿射变形的地方，在大环中包含边长混乱的小环，具有规则性和混乱共存的嵌套状分层结构（图1）。
这一结果为我们提供了一条从拓扑上解释原子排列对非晶材料的力学响应至关重要的途径。今后，面向难碎的玻璃和柔软结实的非晶材料的设计，期待对易懂的指针制作有用。
本研究成果将于9月25日（星期四）18点（日本时间）在英国科学杂志『Nature Communications』上公开。

【南谷教授寄语】
为了大动作，某种制约也很有用，这样的结果，感觉也有与人的活动相通的部分，感觉很有趣。除了向多元素系的玻璃等的扩张之外，还想调查在各种材料中的通用性。
特别记载事项
本研究成果将于9月25日（星期四）18点（日本时间）在英国科学杂志『Nature Communications』上公开。
题目:“Persistent homology elucidates hierarchical structures responsible for mechanical properties in covalent amorphous solids”
著者名:Emi Minamitani, Takenobu Nakamura, Ippei Obayashi, Hideyuki Mizuno
DOI: 10.1038/s41467-025-63424-z
另外，本研究以科学技术振兴机构（JST）战略性创造研究推进事业为目标，在“力学功能的纳米工程”领域（课题编号：JPMJPR2198）、同创的研究支援事业「用数据·数理·因果解开的非晶质物质科学」（课题编号：JPMJFR236Q）、科研经费补贴（课题编号：21H01816,23H04470, 22K03543,23H04495,19KK0068,20H05884,22H05106）、在稻盛财团研究资助的资助下实施的。
同时，关于分子动力学模拟和构造解析请产业技术综合研究所的森下彻也主任研究员建议了。

＜详细研究内容＞
通过拓扑结构确定非晶硬度的机制―柔软度的关键是层次结构―


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