相転移制御による多モード可プログラム動的可変持続発光を実現する高強度透明ガラスセラミックス

光を記憶するガラス状材料

明かりを消したあともしばらく柔らかく輝き続け、温めるだけで、あるいは照明の種類を変えるだけで色を切り替えられる窓を想像してみてください。本研究はまさにそのような材料を示します。すなわち、光を“記憶”してエネルギーとして蓄え、制御可能な長時間の残光として放出する、強靭で透明なガラスセラミックスです。こうした材料は将来、発光パターンで情報を記録したり、偽造防止に役立てたり、新しいタイプの3次元光学デバイスを単一の固体ガラス塊内に実装したりできる可能性があります。

残光が重要な理由

持続発光—光を消した後に残る後光—は避難誘導標識や蓄光装飾などですでに使われています。しかし既存の多くの材料は一色でしか発光せず、加熱や強光照射で脆弱になったり不安定になったりします。有望な有機系は過酷な条件で急速に減衰・劣化することが多く、無機系の粉末は不透明でプラスチックやインクに混ぜる必要があり、その性能が損なわれる場合があります。理想は、単一で堅牢な材料が光と温度で発光色や明るさをプログラム・再プログラムでき、接触せずに複雑で多層の情報を記録・読み出しできることです。

二つの世界を内包するガラスの構築

研究者たちは、内部に微小な結晶を内包した透明なガラスセラミックスを用いてこの問題に取り組みました。リチウムイオンを添加し、慎重に熱処理を行うことで制御された相分離を誘起しました：固体が二つの緊密に混ざり合った「世界」に分かれます。一方はアモルファスなガラス状の母相、もう一方はやや組成が偏った亜鉛シリケート系のナノスケール結晶群です。発光を担うマンガンイオンはこれら二つの世界に意図的に分配されています。マンガンはガラスとナノ結晶で局所環境が異なるため、それぞれ異なる色で発光できます。同様に重要なのは、電荷を捕獲・放出する欠陥や空孔が各相で異なり、浅いトラップと深いトラップが入り混じった豊かなエネルギーランドスケープを生む点です。

光と熱で色をプログラムする

この二相設計により、材料は深さの異なる光貯蔵棚が並ぶライブラリのように振る舞います。高エネルギーの紫外光で励起すると、両相の多くのトラップが埋まり、ナノ結晶中のマンガンからの緑がかった発光が後光を支配します。より穏やかな励起では、キャリアは別のトラップ群に導かれ、主にガラス相中のマンガン由来のオレンジ寄りの後光へとシフトします。充填時にサンプルを加熱すると、どのトラップが埋まるか、またどれくらいの速さで空になるかがさらに変化します。高温ではナノ結晶中の深いトラップが優勢になり、持続発光はオレンジから緑へと変わり、持続時間も長くなります。キャリアが浅いトラップから深いトラップへ徐々に漏れることで、数秒間にわたって色が時間的に変化する“フェード”が現れることさえあります。

過酷条件でも強さと安定性を保つ

多くの蓄光プラスチックやペロブスカイト結晶とは異なり、このガラスセラミックスは過酷な使用に耐えるよう設計されています。高い透明性を保ちながらも、硬度は約9〜11ギガパスカルと一般的な透明ガラスセラミックスよりかなり高く、これは部分的にアルミニウムがガラスネットワークを強化しているためです。また、この材料は顕著な熱的堅牢性を示します：即時の発光強度も持続発光強度も約100 °C付近で強く保たれるか、むしろわずかに向上し、加熱・冷却の繰り返しでも安定しています。光学的可変性、機械的強靭さ、熱的信頼性の組み合わせにより、実用デバイスや厳しい環境での使用に適しています。

光るコードと隠されたメッセージ

材料の能力を示すために、研究チームはマスク、レーザー、局所加熱を用いてガラス内部や表面に葉や鷲、茎などのパターン化された画像を作成しました。同じパターンでも励起波長や温度分布によって異なる隠しメッセージを現せます：室温でオレンジに光るデザインが加熱すると緑に変わったり、異なる紫外ランプで照らすと緑と黄橙の間で切り替わったりします。ガラスが透明であるため、体積内部に3次元パターンを書き込むことができ、特定の読み出し条件でのみ現れる積層・重なり情報を実現します。これらは複数の別々の蛍光体を混ぜることなく、単一の固体内で設計された内部相とトラップから多色発光が生じることで達成されています。

この研究が示すこと

本研究の核心は、微小結晶の生成や欠陥・活性化イオンの配置をガラス内部で精密に設計することで、光と熱により発光色と時間特性を精密に制御できる強靭で透明な材料を作れることを実証した点にあります。単一ブロックのガラスセラミックスは複雑な多モード光学情報を蓄え、要求に応じて開示できるため、高密度データ記録、偽造防止機能、先進的な光学デバイスの有力なプラットフォームを提供します。これらの設計原理は他の多相材料にも応用可能であり、プログラム可能に光を記憶・処理するスマート固体の幅広いファミリーを開く可能性があります。

引用: Wu, Y., Li, X., Ruan, C. et al. Tough transparent glass ceramics for multi-mode programmable dynamic tunable persistent luminescence via phase engineering. Nat Commun 17, 3267 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69202-9

キーワード: 持続発光, ガラスセラミックス, 光学データ記録, 偽造防止, ナノ結晶