【テクノロジー解説】電卓や腕時計の数字を表示する「液晶」と、スパゲッティのようにからまる「ポリマー」:ごちゃごちゃした物質にも法則がある。「現代のニュートン」とよばれた物理学者(1991年ノーベル物理学賞)

プレ男「液晶」って、液体なの?結晶なの?

メル美液体みたいに動くのに、分子の向きはそろってる、ふしぎな物質なんだって。

こんにちは、Dr. Taro です。 「テクノロジー解説」、今回は液晶とポリマーの物理です。1991年のノーベル物理学賞の発表をもとにまとめました。

「そろう」と「ばらばら」の物理

• ピエール=ジル・ド・ジェンヌ博士(フランス)は、小さな磁石や長い分子などが、ある条件でそろった状態(秩序)になったり、ばらばらの状態(無秩序)にもどったりするようすを、数学で表しました
• たとえば磁石を熱すると、原子の小さな磁石が同じ向きにそろった状態から、ばらばらの向きの状態に変わります。この変化は、決まった温度で起こります
• 博士は、こうした単純なものを調べる方法が、液晶やポリマー(高分子)のような、もっと複雑な物質にも使えることを発見しました

液晶:自然のデリケートな状態

• 液晶は100年以上前から知られていましたが、1960年代に、その光の性質を電卓や腕時計の数字の表示に使う技術が進み、注目されるようになりました
• 液晶の分子は、いろいろな並び方をとることができ、その並び方は弱い電気や磁気でもかんたんに変わります。そのため「自然のデリケートな状態」とよばれます
• たとえば「ネマチック」とよばれる状態では、分子はふつうの液体のように動きまわりますが、分子の軸はだいたい同じ向きを向いています
• 博士は、ネマチック液晶が光をふしぎに散らすしくみを説明し、液晶と超伝導のふるまいがよく似ていることも示しました

プレ男弱い電気で並び方が変わるから、数字を表示できるのか!

ポリマー:からまるスパゲッティ

• ポリマーは、かんたんな部品(モノマー)が何万個もつながった長い鎖です
• うすい溶液の中のポリマーは、スパゲッティのようにループやもつれをつくっています。端から端までたどると、ほとんどでたらめに3次元を動きまわるような形です
• 博士は、ポリマーの鎖やその一部がどう動くかについて、濃さや温度の組みあわせで決まる「スケーリング則」という法則を予言しました

「現代のニュートン」

• 物理学者はふだん、できるだけ単純で純粋なものをあつかうことを好みます
• でも博士は、とてもちがう物質のあいだに共通する性質を見ぬき、「ごちゃごちゃした」物質も一般的な法則で説明できることを示しました。そのため「現代のアイザック・ニュートン」とよぶ人もいました
• ゲル、すき間の多い物質など、物理学者があまりあつかわなかった「やわらかい物質」の分野も切りひらきました

ド・ジェンヌ博士は、磁石のような単純なものの「そろう・ばらばら」の物理を、液晶やポリマーのような複雑でやわらかい物質に広げました。液晶は、弱い電気で並び方が変わる、自然のデリケートな状態です。

つながるテクノロジー

• 電気を通すプラスチック:導電性ポリマー
• 液晶とふるまいが似ている:電気抵抗ゼロの「超伝導」
• 物質のふしぎな状態を数学で:トポロジー

プレ男ごちゃごちゃしたものにも法則がある。部屋の片づけにも応用できないかな。

メル美それは自分でがんばって。

まとめ

• 秩序(そろう)と無秩序(ばらばら)の物理を、液晶やポリマーのような複雑な物質に広げた
• 液晶:液体のように動き、分子の向きはそろう。弱い電気で並び方が変わる(電卓・腕時計の表示)
• ポリマー:長い鎖がスパゲッティのようにからまる。動き方のスケーリング則
• 「現代のニュートン」とよばれた
• やわらかい物質の分野をひらいた(1991年ノーベル物理学賞)

参考文献

1. The Royal Swedish Academy of Sciences. Press release: The Nobel Prize in Physics 1991. NobelPrize.org. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1991/press-release/ (閲覧日:2026年10月10日)

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