ガラス化

ガラス化（ラテン語の vitrum  「ガラス」からフランス語のvitrifierを経て）とは、物質がガラスに完全または部分的に変化することであり^[1]、つまり非結晶性の非晶質固体になります。ガラスは液体とは構造的に異なり、結晶と同じハウスドルフ次元の結合を持つ高度な結合性を持っています：dim _H  = 3。^[2]セラミックの製造において、ガラス化はセラミックの耐水性に関係しています。^[3]

ガラス化は通常、物質が液体になるまで加熱し、その後液体を急速冷却してガラス転移点を通過し、ガラス質の固体を形成することによって達成されます。特定の化学反応によってもガラスが生成されます。

化学的には、ガラス化は非晶質材料または無秩序系の特徴であり、素粒子（原子、分子、形成ブロック）間の結合が特定の閾値よりも高くなったときに発生します。^[4]熱変動により結合が切断されるため、温度が低いほど、接続の度合いが高くなります。そのため、非晶質材料にはガラス転移温度（ T _g）と呼ばれる特徴的な閾値温度があります。T g未満では非晶質材料_はガラス状ですが、T _gを超えると溶融します。

最も一般的な用途は陶器、ガラス、およびある種の食品の製造ですが、凍結保存における不凍液のような液体のガラス化など、その他にも多くの用途があります。

別の意味では、ガラス質のマトリックス内に物質を埋め込むことをガラス化とも言います。重要な用途は、放射性廃棄物をガラス化して、処分するのにより安全で安定した物質を得ることです。

ある研究によると^{[5] [6] [7] [8] 、}西暦79年のベスビオ山の噴火の際、犠牲者の脳は火山灰の極度の熱によってガラス化したとされていますが、これには激しい論争が続いています。^[9]

ガラス化とは、焼成プロセスの結果として粘土または物体が徐々に部分的に融合することです。ガラス化が進むにつれて、ガラス結合の割合が増加し、焼成製品の見かけの多孔度は徐々に低くなります。^{[3] [10]}ガラス体は開いた多孔性を持ち、不透明または半透明のいずれかになります。この文脈では、「ゼロ多孔性」は1％未満の吸水率と定義できます。ただし、さまざまな標準手順で吸水条件が定義されています。^{[11] [12] [13]}一例として、 ASTMは「ガラス質という用語は、一般に0.5％未満の吸水率を意味しますが、床タイルや壁タイル、低電圧電気絶縁体は、吸水率が3％までガラス質であるとみなされます。」と述べています。^[14]

陶器は釉薬をかけるかガラス化することで水を通さないようにすることができる。磁器、ボーンチャイナ、衛生陶器はガラス化陶器の例で、釉薬をかけなくても水を通さない。石器はガラス化または半ガラス化される可能性があり、後者は釉薬をかけないと水を通さない。^{[15] [3] [16]}

ショ糖をゆっくり冷やすと氷砂糖（またはロックキャンディ）になりますが、急速に冷やすとシロップ状の綿菓子（キャンディフロス）になります。

ガラス化は水などの液体でも起こり得ますが、通常は急速冷却や氷結晶の形成を抑制する薬剤の導入によって起こります。これは氷結晶の形成をもたらす通常の凍結とは対照的です。ガラス化はクライオ電子顕微鏡法で使用され、サンプルを急速に冷却することで、電子顕微鏡で損傷なく画像化することができます。^{[17] [18]} 2017年、タンパク質やウイルス粒子などの物体を画像化するために使用できるこの技術の開発に対してノーベル化学賞が授与されました。^[19]

窓や飲料容器に使用される通常のソーダ石灰ガラスは、炭酸ナトリウムと石灰（酸化カルシウム）を二酸化ケイ素に加えて作られます。これらの添加物がなければ、二酸化ケイ素を溶融し、その後（ゆっくりと冷却して）ガラスを得るために非常に高い温度が必要になります。

ガラス化は、ジオメルティングと呼ばれる方法で、核廃棄物やその他の有害廃棄物の処分や長期保管に使用されています^[20]。廃棄物は炉でガラス形成化学物質と混合され、溶融ガラスを形成し、その後容器内で固化して廃棄物を固定します。最終的な廃棄物の形は黒曜石に似ており、浸出のない耐久性のある材料で、廃棄物を効果的に内部に閉じ込めます。このような廃棄物は、空気や地下水の汚染を心配することなく、この形で比較的長期間保管できると広く考えられています。バルクガラス化では、土壌や廃棄物が埋まっている場所で電極を使用して溶かします。固まった廃棄物は、広範囲に汚染される危険性が低く、掘り起こすことができます。パシフィック・ノースウェスト国立研究所によると、「ガラス化は、危険な物質を何千年も持続する安定したガラスの形に閉じ込めます。」^[21]

凍結保存におけるガラス化は、例えば、ヒトの卵細胞（卵母細胞）（卵母細胞凍結保存）や胚（胚凍結保存）を保存するために使用されます。これにより氷結晶の形成が防止され、-23,000 °C/分という非常に高速なプロセスになります。

現在、ガラス化技術はアルコーによって脳（神経ガラス化）に、クライオニクス研究所によって上半身にのみ適用されていますが、両組織ではガラス化を全身に適用する研究が進められています。

極地に生息する多くの木本植物は、寒さに耐えるために自然に細胞をガラス化します。液体窒素や液体ヘリウムに浸しても生き残れるものもあります。^[22]ガラス化は絶滅危惧植物種とその種子の保存にも使用できます。たとえば、扱いにくい種子は保存が難しいと考えられています。ガラス化の応用例の1つである植物ガラス化溶液（PVS）は、スイレンの種子の保存に成功しました。 ^[23]

極地生物学で使用される添加物、または極地に生息する生物によって自然に生成される添加物は、凍結保護剤と呼ばれます。

• 極低温工学
• 結晶
• 過冷却
• ガラス化した砦

• スティーブン・アシュル (2002 年 6月)。「分割とガラス化」(PDF)。サイエンティフィック・アメリカン。286 (6): 17–19。Bibcode :2002SciAm.286f..17A。doi :10.1038/scientificamerican0602-17。2015年5月 10 日閲覧。
• ステファン・ロヴグレン、「アリゾナ・カンパニーによる将来の再生のための死体の冷凍保存」、2005 年 3 月、ナショナル ジオグラフィック