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

🤖 AIが下書き・人間が編集

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。 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）。 結合に方向があるので、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¹。

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、原子そのものより「並びの乱れ＝欠陥」が決めている。

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。

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