ナノ合金の結晶構造を自由に制御する手法を、京大、九大などが開発 革新的材料の創製に期待

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京都大学、九州大学および高輝度光科学研究センター(JASRI)による研究グループは2018年2月6日、ナノ合金の画期的な構造制御法を開発したと発表した。金とルテニウムのナノ合金について、その合成方法を工夫し、同一組成でも異なる結晶構造を作り分けることに成功したもので、科学技術振興機構(JST)の戦略的創造研究推進事業の支援を受けた成果だ。

磁性体、触媒、光学材料などとして幅広く研究されているナノ合金材料は、設計する際には金属元素の種類、組成、粒子サイズ、形状などが主な指針となる。結晶構造は元素の種類と組成により一義的に決まるものとして、自在に制御はできないと考えられてきた。同研究グループでは2013年に、ルテニウム(Ru)の結晶構造を制御することに成功しているが、合金で金属の組み合わせや組成を変えずに結晶構造を制御した報告例はこれまで世界的にもないという。

今回同研究グループは、一般的な金属ナノ粒子の合成方法である化学的還元法の特徴に着目した。化学的還元法は、粒径成長を抑制する保護剤の下で、金属前駆体(金属イオン)を還元剤で還元して原子に変え、それらを自己集合させてナノ粒子を得る。金属前駆体を還元するタイミングなどを制御することでさまざまなタイプの金属ナノ粒子を合成できる。

同研究グループでは、合金の構成元素の元々の結晶構造が異なる場合、合金形成の過程で少し早く還元し始めた金属が結晶構造を支配すると予想。今回、hcp構造(六方最密構造)のルテニウムとfcc構造(面心立方格子)の金を用いて、両イオンの還元スピードが異なるように制御を行うことで、2つの構造の固溶体合金を同組成で作り分けることに成功した。ナノ合金結晶の構造は原子分解能走査透過型電子顕微鏡および大型放射光施設SPring-8のBL02B2における放射光粉末X線回折実験で明らかにした。

今回の成果により、従来の金やルテニウムにはなかった特性をもつ材料の開発が期待できる。また同様の制御は、異なる結晶構造を持つ金属から構成される他の合金系にも応用できると考えられる。このため、広く利用されているナノ合金材料でも、合成方法を検討するだけでバルクの合金状態図にとらわれずに結晶構造を制御し、性能向上や弱点の克服が期待できるという。

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