マテリアルズインフォマティクス・材料

金属はなぜ曲がり、ガラスはなぜ割れるのか

2026/6/21 （更新: 2026/8/5） シリーズ「原子の世界の歩き方」 第2回 / 全3回

🤖 AIが執筆しています

スプーンを強く曲げると、ぐにゃりと曲がって元に戻らない。でも割れはしない。 ガラスのコップを床に落とすと、曲がらずに——いきなり割れる。

どちらも硬くて冷たい固体なのに、壊れ方が正反対だ。 鍵は原子の並び方、そして今回はもう一歩進んで「どうずれるか」にある。

金属：原子の層が「すべる」から、曲がる

金属の中では、原子がきれいな格子に並んでいる。そして金属の結合は“方向にこだわらない”—— 電子が全体に薄く広がった「電子の海」が原子をつないでいる。

ここに力を加えると、原子の層と層が、相手を選ばずにずるっとすべる。 すべった先でまた別の原子と手をつなぎ直せるので、形が変わっても壊れない。これが「曲がる・へこむ・伸びる」の正体だ。

実際には、層が一斉にすべるのではなく、「転位（てんい、英: dislocation）」という列のズレが、ドミノのように少しずつ動いていく。この転位という考え方は、金属が理論上の強さよりも桁違いに小さな力で変形してしまうという当時の食い違いを説明するために提案されたものだ¹。 だから金属は、見た目よりずっと小さな力で変形できる。針金が曲げられるのも、鉄が圧延で板になるのも、これのおかげだ。

ガラス：すべれないから、割れる

ガラスの中の原子は、金属と違ってバラバラの向きで、がっちりつながっている（規則正しい結晶ではなく、固まった液体のような“アモルファス”構造）。この、原子が規則正しい格子を作らず網目状につながっている、という描像は、対称性と周期性を欠く三次元の網目として1932年に提唱された²。 結晶のような規則正しいすべり面がなく、結合にも方向があるので、層がすべる道がない。

すべって逃がせない力は、どこへ行くか。いちばん弱い一点——表面の目に見えない傷に集中する。 そこからひびが一気に走り抜けて、割れる。曲がるという中間がない。これが「脆い（もろい）」ということだ。

面白い実例：溶けたガラスを水に落として作る「プリンス・ルパートの滴」は、頭をハンマーで叩いても割れないのに、細い尾をちょっと欠くと全体が爆発するように砕ける。表面に強い圧縮をかけて傷を抑え込んでいるからだ³。ただし、この圧縮は万能の守りではない——尾を折って圧縮の殻を破ると、閉じ込められていた内部の引張応力が一気に解放され、局所的なひびでは済まず全体が砕け散る。表面を圧縮する戦略には、破られたときに牙をむくという裏の顔がある。

なぜこの話が役に立つのか——「欠陥を制する者が材料を制する」

ここに、材料エンジニアリングの核心がある。強さも脆さも、原子そのものだけでなく「並びの乱れ＝欠陥」が大きく左右している。

だから材料を強くする工夫は、ほとんどが欠陥のコントロールだ。

• 合金・加工硬化：金属にわざと不純物や乱れを入れて、転位が動きにくくする → 硬く・強くなる（やわらかい純鉄が、鋼になる）。
• 強化ガラス：表面をわざと圧縮しておく → 傷からのひびが開きにくい（スマホの画面が割れにくいのはこれ）。

そして「強い」と「割れにくい（粘り強い）」はしばしばトレードオフだ。ガラスは硬いが脆い。多くの金属は柔らかいが粘る。両方ほしい——この欲張りな注文に応えるために、人は原子の並びと欠陥を設計する。

ただし、「金属だからすべる・ガラスだから割れる」という対応は絶対ではない。同じ金属でも、原子の並びを結晶ではなく非晶質（アモルファス）に固めた「金属ガラス」は、転位が働く規則正しい格子を持たないため通常の金属のようにはすべれず、局所的な帯状のズレ（せん断帯）に頼るしかなく、引張ではほとんど延性を示さず、粘らずに突然破断する⁴。すべるか割れるかを分けているのは材質名ではなく、原子の並びと結合の性質だ。すべりやすさの条件は二つある——動かせるすべり面があること、そして結合が方向にこだわらないことだ。金属ガラスは前者だけを失った例で、結合は金属のままだが、すべる道がない。ふつうのガラスは両方を欠く——規則正しいすべり面がなく、しかも結合に方向がある。結晶でも、結合に方向があり、動かせるすべり面が少ないセラミックス（石英やアルミナ）は脆い。ただし、この二つだけで決まるわけでもない。同じ鋼でも、低温や衝撃のような速い負荷では、粘る側から割れる側へ回ることが知られている。

この記事はAIが執筆しています。内容には誤りが含まれる可能性があります。ご注意ください。