2026年4月7日，由工学院大学与日本国立材料研究所（NIMS）为核心的研究团队，联合京都大学、名古屋大学、日本电子株式会社、东北大学、岛根大学、冈本硝子株式会社等国内多家机构共同研究，针对传统上被认为“无法形成玻璃”的单组分氧化物——氧化铝（Al₂O₃，alumina），成功通过室温高压工艺合成了毫米尺寸的透明非晶态块体。结果显示，所得样品不仅具有高热导率和硬度，其介电常数也高达约11.3，超过了代表性晶相α-Al₂O₃（蓝宝石）的介电常数（约10）。
图 该研究合成的透明块体非晶氧化铝的介电常数与结构
氧化铝兼具高强度、化学稳定性、耐磨损性、耐腐蚀性、电绝缘性等优异的物理性能，被广泛应用于陶瓷基板、半导体制造设备部件、汽车尾气催化剂、工业研磨材料、耐火材料等众多工业领域。氧化铝大部分是原子规则排列的晶体，但也有一部分是原子排列无规则的非晶态氧化铝。通过电化学氧化铝金属，可以获得薄膜状的多孔非晶氧化铝，并用作电子元件、涂层材料等。在日常用品（水壶、锅、饭盒等）的表面，为了提升耐腐蚀性和耐久性，也形成了非晶氧化铝膜（铝阳极氧化处理）。另一方面，说到代表性的非晶材料，便是玻璃，但氧化铝长期以来被认为是“不能形成玻璃的氧化物”，使用传统的熔融法无法制造氧化铝玻璃。因此，对非晶氧化铝的研究一直局限于薄膜、多孔体、纳米颗粒，无法合成致密的块状非晶氧化铝。
在该研究中，此次，研究团队对电化学制备的多孔非晶氧化铝薄膜（铝阳极氧化膜）在室温下施加高压，成功消除了颗粒界面和孔洞，使其一体化成为透明的块体。对电化学制备的多孔非晶氧化铝薄膜，在室温下施加高压（高压合成），通过消除颗粒界面和孔洞，成功合成了毫米尺寸的致密块状非晶氧化铝。利用金刚石对顶砧进行的原位观察确认了随加压发生的颗粒破碎与重排，以及在特定压力以上颗粒边界的消失。进一步使用带式高压装置，在室温下施加高压（9.4 GPa：9万4千个大气压），成功合成了块状样品（图1）。
图1：高压法合成块状非晶氧化铝。（左）用于高压下原位观察的金刚石压砧。（中）高压下块状非晶氧化铝形成的原位观察结果。（右）使用带式高压装置合成的块状非晶氧化铝；减薄后（右上）证实其具有透明性。
所得块状非晶氧化铝，除了因加压导致密度上升外，还显示出作为玻璃态材料较高的热导率和硬度。此外，其介电常数（相对介电常数）显示出约11.3的高值，超过了晶体α-Al₂O₃（蓝宝石）（图2）。介电常数的频率依赖性小，且在室温附近介电损耗（tanδ）较低，这表明致密化提高了快速的极化响应。
图2：块体非晶氧化铝的物理性能数据。研究合成的非晶氧化铝，其物理性能（以红色标示）在所有测定参数——包括密度、热导率、硬度（维氏硬度）和介电常数——上，均超越了作为典型玻璃材料的二氧化硅（SiO2）玻璃。此外，在硬度方面，它甚至超越了作为典型高硬度玻璃的铝硅酸盐（60Al2O3–40SiO2）玻璃；而在介电常数方面，其数值亦高于作为典型晶相材料的α-Al2O3。
为了阐明作为物性起源的结构，研究团队利用Al固体核磁共振波谱法、量子束衍射（大型同步辐射设施SPring-8（BL04B2）的同步辐射X射线衍射和J-PARC·MLF（BL21）的中子衍射）进行实验，并进行了能同时再现衍射数据和NMR所得配位数比率的结构建模。结果发现，除了普通玻璃中常见的四面体（AlO₄）和晶体中常见的八面体（AlO₆）之外，非晶氧化铝的主要结构单元是“类似从八面体中缺失一个氧顶点的扭曲金字塔形状”的五配位多面体（AlO₅）（图3左）。进一步研究表明，加压使得AlO₆八面体增加，AlO₅金字塔变得更加扭曲，同时通过AlO₅/AlO₆之间的棱共享连接，形成了类似晶体的高密度基体（图3右）。研究团队提出了一种模型：在其中，这些发生畸变的 AlO₅ 单元充当着“不稳定的局部结构单元”，极易在电场作用下发生形变；这种形变效应与 AlO₆ 单元数量的增加产生协同作用，从而引发了显著的高介电响应。换言之，本研究中所实现的高介电常数的独特之处，并不在于材料本身的成分，而在于通过密度调控手段，对材料的局部配位环境及中程结构（具体而言，即那种共棱连接的基体结构）所进行的精准调控。
图3：（左）AlO₅锥体结构，本研究将其确认为非晶氧化铝的基本结构单元。（右）非晶氧化铝结构模型随其在高压作用下致密化为块体形态而发生的变化。随着致密化过程的推进，AlO₅锥体结构（红色）与AlO₆八面体（橙色）之间通过共棱连接，从而形成高密度基体。
来源：工学院大学
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