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研究分野（科研費分類） 【 表示 ／ 非表示 】

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研究テーマ 【 表示 ／ 非表示 】

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• ガラス科学　（熱物性，破壊特性，光物性）

  ガラス

論文 【 表示 ／ 非表示 】

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• Role of mixing thermodynamic properties on the Soret effect

  Tomohiro Kiyosawa, Masahiro Shimizu, Jun MATSUOKA, Kento Nakashima, Kenzo Sato, Masayuki Nishi, Yasuhiko Shimotsuma, and Kiyotaka Miura

  AIP Publishing  Journal of Chemical Physics  157   174501 ～  2022年11月

  10.1063/5.0122015  共著  

  [概要]

  We demonstrate that the modified Kempers model, a recently developed theoretical model for the Soret effect in oxide melts, is applicable for predicting the composition dependence of the Soret coefficient in three binary molecular liquids with negative enthalpies of mixing. We compared the theoretical and experimental values for water/ethanol, water/methanol, water/ethylene glycol, water/acetone, and benzene/n-heptane mixtures. In water/ethanol, water/methanol, and water/ethylene glycol, which have negative enthalpies of mixing across the entire mole fraction range, the modified Kempers model successfully predicts the sign change of the Soret coefficient with high accuracy, whereas, in water/acetone and benzene/n-heptane, which have composition ranges with positive enthalpies of mixing, it cannot predict the sign change of the Soret coefficient. These results suggest that the model is applicable in composition ranges with negative enthalpies of mixing and provides a framework for predicting and understanding the Soret effect from the equilibrium thermodynamic properties of mixing, such as the partial molar volume, partial molar enthalpy of mixing, and chemical potential.

• Composition-dependent sign inversion of the Soret coefficient of SiO<inf>2</inf>in binary borosilicate melts

  Shimizu M., Sato K., Nakashima K., Kiyosawa T., Matsuoka J., Shimotsuma Y., Miura K.

  Journal of Chemical Physics  Journal of Chemical Physics  156 (21)    2022年06月

  10.1063/5.0090939  共著  

  [概要]

  Using a laser-induced local-heating experiment combined with temperature analysis, we observed the composition-dependent sign inversion of the Soret coefficient of SiO2 in binary silicate melts, which was successfully explained by a modified Kempers model used for describing the Soret effect in oxide melts. In particular, the diffusion of SiO2 to the cold side under a temperature gradient, which is an anomaly in silicate melts, was observed in the SiO2-poor compositions. The theoretical model indicates that the thermodynamic mixing properties of oxides, partial molar enthalpy of mixing, and partial molar volume are the dominant factors for determining the migration direction of the SiO2 component under a temperature gradient.

• Determination of thermodynamic and microscopic origins of the Soret effect in sodium silicate melts: Prediction of sign change of the Soret coefficient

  M. Shimizu, T. Fukuyo, J. Matsuoka, K. Nakashima, K. Sato, T. Kiyosawa, M. Nishi, Y. Shimotsuma, and K. Miura

  AIP Publishing LLC.  The Journal of Chemical Physics  154 (7)   074501 ～  2021年02月

  10.1063/5.0040513  共著  共同（副担当）

  [概要]

  The Soret effect in silicate melts has attracted attention in earth and material sciences, particularly in glass science and engineering, because a compositional change caused by the Soret effect modifies the material properties of silicate melts. We investigated the Soret effect in an Na2O–SiO2 system, which is the most common representative of silicate melts. Our theoretical approach based on the modified Kempers model and non-equilibrium molecular dynamics simulation was validated for 30Na2O–70SiO2(mol. %). The sign and order of the absolute values of the calculated Soret coefficients were consistent with the experimental values. The positive Soret coefficient of SiO2 in the SiO2-poor composition range was accurately predicted. Previous experimental studies have focused on SiO2-rich compositions, and only the negative sign, indicating SiO2 migration to the hot side, has been observed. In the SiO2-poor composition range, the Q0 structure was dominant and had four Si–O–Na bonds around an SiO4 unit. The Si–O–Na bond had high enthalpic stability and contributed to the large negative enthalpy of SiO2 mixing. According to our model, components with a large negative partial molar enthalpy of mixing will concentrate in the cold region. The microscopic and thermodynamic origins of the sign change in the Soret effect were determined.

• Transition in deformation mechanism of aluminosilicate glass at high pressure and room temperature

  Osada K., Yamada A., Ohuchi T., Yoshida S., Matsuoka J.

  Journal of the American Ceramic Society  Journal of the American Ceramic Society  103 (12)   6755 ～ 6763  2020年12月

  10.1111/jace.17429  共著  

  [概要]

  Deformation experiments for 20(MgO or Na O)-20Al O -60SiO glasses were performed in simple shear geometry at 1.5-5 GPa and room temperature. An abrupt change in the thinning rate and the turning of the birefringence azimuth at a shear strain of γ = 1-2 indicate a transition of deformation mechanism from uniaxial compression aided by densification to shear flow in the glasses. The high-dense magnesium aluminosilicate glass showed strain softening controlled by the rearrangement of the tetrahedral network. On the other hand, low-dense sodium aluminosilicate glass deformed by packing-induced flow associated with densification and via the rearrangement of the tetrahedral network at lower and higher strains, respectively. The transition of the deformation mechanism was triggered by the limitations of the densification of the tetrahedral network. The difference of deformation mechanism brought about higher strain in magnesium aluminosilicate glass than sodium aluminosilicate glass at the same stress condition. Easiness of remarkable deformation, which relaxed residual stress, and high deformability contributed to the high ductility of the MgO-aluminosilicate glass. 2 2 3 2

• Soret coefficient of a sodium germanate glass melt: Experiment, theory, and molecular dynamics simulation

  Nakashima K., Shimizu M., Matsuoka J., Fukuyo T., Kato H., Nishi M., Shimotsuma Y., Miura K.

  Journal of the American Ceramic Society  Journal of the American Ceramic Society  103 (11)   6208 ～ 6214  2020年11月

  10.1111/jace.17375  共著  

  [概要]

  The Soret effect is a diffusion phenomenon driven by a temperature gradient in a multicomponent system. This effect in condensed systems is not fully understood. Previously, we reported a theoretical model called “adjusted Kempers model” to predict the Soret coefficient in glass melts, and compared the experimental value to the theoretical value for 11Na O-89B O (mol%) melts. Here, molecular dynamics calculations, as well as theoretical and experimental values, are quantitatively compared in 10Na O-90GeO melts. We used a vertical tubular furnace to cause a temperature gradient and heated the sample from top side to reduce the natural convection. We measured the composition of 10Na O-90GeO glass samples after 45, 90, and 180 hours of heat treatment under a temperature gradient, and estimated the steady-state Soret coefficient near 1373 K to be 1.09 × 10  K . In addition, we calculated Soret coefficients to be 3.65 × 10  K and 1.85 × 10  K in theory and molecular dynamics calculation, respectively. The ratios between the experimental and theoretical Soret coefficients were 1.2 and 3.3 for 11Na O-89B O melts and 10Na O-90GeO melts, respectively. The difference in ratios may be attributed to the mass and size of diffusion species in the glass melts. 2 2 3 2 2 2 2 2 2 3 2 2 −3 −1 −3 −1 −3 −1

• Effect of B2O3 substitution for SiO2 in alkali aluminoborosilicate glasses on chemical strengthening

  Hidekatsu Morozumi, Satoshi Yoshida, Jun Matsuoka

  日本セラミックス協会  Journal of the Ceramic Society of Japan  128 (1)   24 ～ 31  2020年01月

  共著  共同（副担当）

• Micro-Photoelastic Evaluation of Indentation-Induced Stress in Glass

  Keisuke Asai, Satoshi Yoshida, Akihiro Yamada, Jun Matsuoka, Andrei Errapart, Charles R. Kurkjian

  The Japan Institute of Metals and Materials  Materials Transactions    2019年01月

  10.2320/matertrans.MD201903  共著  共同（副担当）

• Soret coefficient of a sodium borate melt: Experiment with a vertical furnace and thermodynamic theory

  Shimizu M., Hosoya S., Kato T., Matsuoka J., Kato H., Nishi M., Hirao K., Shimotsuma Y., Miura K.

  Journal of the Ceramic Society of Japan  Journal of the Ceramic Society of Japan  126 (12)   997 ～ 1004  2018年12月

  10.2109/jcersj2.18135  共著  

  [概要]

  ©2018 The Ceramic Society of Japan The Soret effect or thermodiffusion is temperature-gradient-driven diffusion in a multicomponent system. A physical model to accurately predict the Soret coefficient of oxide melts has not yet been proposed. Here, for the first time, we report a quantitative comparison between experiment and theory concerning the Soret coefficient in binary glass-forming oxide melts. We measured the Soret coefficient of 11Na 2 O89B 2 O 3 (mol %) after 90- and 180-h heat treatment under a temperature gradient near 1200 K and estimated the Soret coefficient for the steady state. We used a vertical furnace to reduce the effect of natural convection on the Soret effect by heating the sample from the top side. The Soret coefficient estimated for the steady state near 1200 K was 5.12 © 10 13 K 11 , whereas that obtained by the adjusted Kempers model, in which we adjusted the original Kempers thermodynamic model for binary oxide melts, was 6.09 © 10 13 K 11 . The sign and order of magnitude were consistent, which suggests that the adjusted Kempers model is a promising model to explain the Soret effect and that the equilibrium thermodynamic parameters of partial molar volume, partial molar enthalpy, and chemical potential are important factors in the phenomenon.

• Role of partial molar enthalpy of oxides on Soret effect in high-temperature CaO–SiO <inf>2</inf> melts

  Shimizu M., Matsuoka J., Kato H., Kato T., Nishi M., Visbal H., Nagashima K., Sakakura M., Shimotsuma Y., Itasaka H., Hirao K., Miura K.

  Scientific Reports  Scientific Reports  8 (1)    2018年12月

  10.1038/s41598-018-33882-1  共著  

  [概要]

  © 2018, The Author(s). The Soret effect or thermodiffusion is the temperature-gradient driven diffusion in a multicomponent system. Two important conclusions have been obtained for the Soret effect in multicomponent silicate melts: first, the SiO 2 component concentrates in the hot region; and second, heavier isotopes concentrate in the cold region more than lighter isotopes. For the second point, the isotope fractionation can be explained by the classical mechanical collisions between pairs of particles. However, as for the first point, no physical model has been reported to answer why the SiO 2 component concentrates in the hot region. We try to address this issue by simulating the composition dependence of the Soret effect in CaO–SiO 2 melts with nonequilibrium molecular dynamics and determining through a comparison of the results with those calculated from the Kempers model that partial molar enthalpy is one of the dominant factors in this phenomenon.

• In-situ Raman Measurements of Silicate Glass during Vickers Indentation

  Satoshi Yoshida, Thu Huyen Nguyen, Akihiro Yamada, Jun Matsuoka

  The Japan Institute of Metals and Materials  Materials Transactions    2018年11月

  10.2320/matertrans.MD201901  共著  共同（副担当）

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著書 【 表示 ／ 非表示 】

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• ガラスの破壊メカニズムと高強度化

  松岡純，伊藤節郎，長嶋廉仁，藤田卓，増田優子

  （株）Ｒ＆Ｄ支援センター  92p  2013年07月

  単行本（学術書）  分担執筆

• エレクトロニクス用途におけるガラスの超精密加工【技術全集】（共著）

  松村隆ほか４９名

  技術情報協会  552p  2008年03月

  単行本（学術書）  共著

• ガラスの百科事典（共著）

  作花済夫ほか１１６名

  朝倉書店  668p  2007年10月

  事典・辞書  共著

• セラミック工学ハンドブック（第２版）（共著）

  丹羽紘一，三宅通博ほか537名

  技報堂出版  2412p  2002年03月

  単行本（学術書）  共著

• ガラス工学ハンドブック（共著）

  作花済夫ほか94名

  朝倉書店  702p  1999年07月

  単行本（学術書）  共著

総説・解説記事 【 表示 ／ 非表示 】

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• 国際ガラス年2022に寄せて　ガラス科学の基礎および応用研究への期待

  松岡　純

  日本化学会  化学と工業  75 (5)   327 ～ 329  2022年05月

   単著  

• ガラスと融液の熱物性　－その物理化学と工学－

  松岡　純

  日本セラミックス協会  第51回ガラス部会夏季若手セミナー　テキスト    2019年08月

   単著  

• ガラス融液の構造と物性

  松岡純

  耐火物技術協会  耐火物  70 (11)   532 ～ 539  2018年11月

   単著  

• 巻頭言　点と点を線で結ぶこと

  松岡　純

  一般社団法人ニューガラスフォーラム  NEW GLASS  33 (123)   1 ～ 2  2018年03月

   単著  

• ガラス融液の物性

  松岡　純

  一般社団法人ニューガラスフォーラム  NEW GLASS  32 (1)   4 ～ 9  2017年03月

   単著  

• ガラスの熱伝導率の組成依存性

  松岡　純

  一般社団法人ニューガラスフォーラム  NEW GLASS  27 (4)   20 ～ 23  2012年12月

   単著  

• 無機ガラスの熱伝導特性

  松岡　純

  日本熱測定学会  熱測定  39 (3)   106 ～ 111  2012年07月

   単著  

• ガラス材料の疲労

  松岡　純

  日本トライボロジー学会  トライボロジスト  55 (10)   702 ～ 707  2010年10月

   単著  

• ガラスの破壊とその周辺

  松岡　純

  （社）ニューガラスフォーラム  ニューガラス  23 (3)   4 ～ 9  2008年08月

   単著  

• ガラスの破壊現象から見た平面ディスプレイ

  松岡　純

  （社）日本セラミックス協会  セラミックス  43 (6)   460 ～ 463  2008年06月

   単著  

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会議での講演 【 表示 ／ 非表示 】

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• 室温高圧下におけるアルミノケイ酸塩ガラスの変形機構

  第63回高圧討論会  2022年12月

• ナトリウムホウケイ酸塩の融液状態での赤外吸収スペクトル

  第63回ガラスおよびフォトニクス材料討論会  2022年12月

• ソーダ石灰ガラスの静水圧下における弾性と構造変化

  第63回ガラスおよびフォトニクス材料討論会  2022年12月

• ホウケイ酸塩ガラスのせん断変形のその場観察

  第63回ガラスおよびフォトニクス材料討論会  2022年12月

• 鉄含有簡素化模擬廃棄物固化ガラスの粘度への鉄の価数の効果の予備的検討

  第4回放射性廃棄物固化体討論会  2022年10月

• ガラス製造の高効率化へ向けた融液物性の評価

  日本セラミックス協会 第35回秋季シンポジウム  2022年09月

• ホウケイ酸塩ガラスのせん断応力による変形挙動

  日本セラミックス協会 第35回秋季シンポジウム  2022年09月

• 高密度アルミノケイ酸塩ガラスの物性と構造

  日本セラミックス協会 第35回秋季シンポジウム  2022年09月

• ガラスはなぜ割れるのか：　原子レベルのメカニズムと強化方法

  日本化学会第102春季年会  2022年03月

• Indentation induced photoelastic patterns in oxide glasses: a numerical approach

  14th Pacific Rim Conference on Ceramic and Glass  2021年12月

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受賞学術賞 【 表示 ／ 非表示 】

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• 日本セラミックス協会　2013　JCerSJ優秀論文賞

   Heat capacity measurements of 75SiO2-6B2O3-10Al2O3-9MO (M=Mg, Ca, Sr and Ba) glasses and melts  学会誌・学術雑誌による顕彰  公益社団法人日本セラミックス協会  共同（副担当）  2014年06月

• 日本セラミックス協会　2010　JCerSJ優秀論文賞

   Effect of B2O3 content on crack initiation under Vickers indentation test  学会誌・学術雑誌による顕彰  公益社団法人日本セラミックス協会  共同（副担当）  2011年06月

研究シーズ 【 表示 ／ 非表示 】

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学部講義等担当 【 表示 ／ 非表示 】

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大学院講義担当 【 表示 ／ 非表示 】

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国・地方公共団体等における審議会・委員会等の委員 【 表示 ／ 非表示 】

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学会等における役職 【 表示 ／ 非表示 】

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学外の社会活動 【 表示 ／ 非表示 】

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• 青少年のための科学の祭典　滋賀大会   2008年04月 ～ 現在

• 国際化学オリンピック日本委員会　科学委員会　実験問題小委員会　委員   2008年04月 ～ 2010年12月

• 「建築用ガラスの曲げ強度試験方法：4部，5部」JIS原案作成委員会（委員長）   2022年01月 ～ 2022年08月

• 「建築用ガラスの曲げ強度試験方法」JIS原案作成委員会（委員長）   2020年04月 ～ 2021年09月

• 透光性遮音板の耐衝撃性能に関する検討会（委員）   2016年09月 ～ 2017年03月

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