イットリウムおよびネオジムをドープした新規リチウム亜鉛リン酸塩ガラスの構造的、機械的、電気的および放射線遮蔽特性

高線量環境のための保護ガラス

現代の病院、研究所、原子力施設では、透明性や強度を損なうことなく有害な放射線を安全に遮蔽できる材料が求められます。本研究は、希土類元素で原子レベルに調整した新種の特殊ガラスが、放射線吸収性を高めつつ靭性や電気応答性も向上させ得るかを検討しています。結果は、配合の小さな変更――より重い元素であるイットリウムを導入すること――がガラス構造を微妙に再編し、複数の有用な特性を同時に改善することを示しています。

改良されたガラス配合の構築

研究者らは、主にリンと酸素からなる基礎的なリン酸塩ガラスに、リチウム、亜鉛、ビスマス、およびレーザーで既に使われている発光性希土類イオンである小量のネオジムを組み合わせた組成から出発しました。この混合物に対して徐々に増量する形でイットリウム酸化物を添加しました。各バッチは高温の炉で溶融され、結晶が成長する前に急冷（“クエンチ”）して固体ガラスを固定します。異なるイットリウム含有量の4つのガラスを比較することで、この単一の変更が構造、密度、強度、電気的挙動、および高エネルギー放射線の遮蔽能力にどのように影響するかを観察できました。

ガラス内部で何が起きるか

微視的には、通常のリン酸塩ガラスは角を共有する四面体単位──小さなピラミッド状の構成要素が鎖やネットワークとしてつながったもの──で構成されています。著者らは赤外分光法を用いて、イットリウム添加に伴ってこれらの構成要素がどのように変化するかを追跡しました。イットリウムは一部の元の結合を切断し、新しいイットリウム–酸素結合を形成してネットワーク中により多くの“ゆるい端”を生じさせることが分かりました。こうした架橋していない酸素部位と新結合は構造の無秩序性を増す一方で、ネットワークをより緊密に引き寄せます。測定により、リンに富む軽い単位がより重いイットリウム酸化物に置換されるにつれて密度が着実に上昇し、よりコンパクトで一体化したガラスになることが確認されました。

電気的挙動と機械的強度

内部ネットワークの変化は、ガラスが電場にどう応答するかにも影響します。広い周波数帯で交流電圧を印加すると、電気エネルギーを蓄える能力――相対誘電率――は低周波で高く、場の振動が速くなるにつれて低下します。イットリウムが増えると、誘電率と電気伝導率はいずれも全体的に上昇し、生成された酸素の“ゆるい端”や再編されたネットワークがリチウムなどの可動イオンの移動を容易にする経路を提供していることが示唆されます。同時に、算出された機械的パラメータはガラスがより剛性になることを示します：ヤング率、体積弾性率、せん断弾性率はいずれもイットリウム含有量とともに上昇します。実務的には、硬さはわずかにしか変わらないものの、ガラスは圧縮、引張、せん断に対してより抵抗力を示すようになります。

X線と中性子の遮蔽

イットリウム原子はリンより重いため、高エネルギー光子や高速中性子との相互作用にも影響します。研究チームは医療用X線レベルから原子力技術に関わるエネルギーまでの光子エネルギー範囲で、材料がどれだけ強く放射線を吸収するかに関連する有効原子番号を算出しました。この値は非常に低い光子エネルギーで最大となり、散乱が支配的な中間帯で低下し、最高エネルギー領域で再び上昇します。イットリウムを加えることで、すべてのエネルギーで有効原子番号がわずかに上方にシフトし、光子および中性子遮蔽の両方で小さいが一貫した改善が得られます。場合によっては、ガラスはコンクリートのような一般的な建材と同等以上に機能し、市販の遮蔽ガラスに近い性能を示すこともあります。

このガラスが重要な理由

総じて、本研究はリチウム–亜鉛–リン酸塩ガラスにイットリウムを注意深く導入することで、より高密度で機械的に強く、電気的応答性に優れ、放射線吸収性もわずかに向上した材料が得られることを示しています。一般向けの結論としては、「設計された」ガラスは合金のように調整可能であり、特定の元素を置き換えることで比較的開放的で軽量なネットワークを、放射線を遮断しつつ機械的・電気的要求にも耐える重くより緊密な構造へと置き換えられるということです。このようなガラスは、視界や耐久性を損なうことなく強い放射線から人や機器を保護する必要がある環境で、将来的に窓、ビューポート、部品の改良に役立つ可能性があります。

引用: Alharshan, G.A., Shaaban, S.M., Elsad, R. et al. The structural, mechanical, electrical, and radiation-shielding properties of newly yttrium and neodymium-doped lithium-zinc-phosphate glasses. Sci Rep 16, 7971 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36616-w

キーワード: 放射線遮蔽ガラス, イットリウム添加リン酸塩, 希土類材料, 誘電特性, 機械的強度