イオンの出入りで磁性状態をON-OFF、通電不要のイオン制御型電磁石を東北大が開発

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東北大学金属材料研究所は2017年1月13日、金属錯体からなる分子性格子材料へのイオンと電子の出入りを制御することで、磁性状態のON-OFFスイッチが可能な新たな電磁石の開発に成功したと発表した。この電磁石では一度スイッチすると、通電し続けなくても磁石としての性質を維持できるという。

同研究所の研究チームは、“金属錯体から成る分子性格子材料(金属—有機物骨格体)に、イオン挿入を介した電子量の制御を行うと、人工的な磁石へと変換できる”ことを発見していた。磁石としての性質の発現の鍵となるのは、物質への「イオン」と「電子」の同時挿入だ。分子格子内に「電子」を挿入すると、長距離磁気秩序が形成されて磁石になる。だが、その状態を維持するには、同時に「イオン」を格子間に挿入し、電荷を補わなければならない。

そのため、磁性状態の“スイッチング”にはイオンの出し入れと、物質中での輸送の容易さが重要な鍵となる。研究チームはこうした背景のもと、イオンの脱挿入を可逆的に制御できれば、電気による磁性のON-OFF制御が可能な新しい磁気スイッチングデバイスを実現できるのではないかと考えた。

そこで、谷口耕治准教授と宮坂等教授らは今回、常磁性の水車型ルテニウム二核金属錯体と非磁性で電気的中性のテトラシアノキノジメタン(TCNQ)誘導体から成る新たな中性層状化合物を開発。この分子層状化合物をリチウムイオン電池の正極に用い、リチウムイオンの脱挿入を介した分子格子への電子注入量制御を可能にし、可逆的に常磁性状態(元の化合物:充電時)とフェリ磁性状態(電子とイオン挿入時:放電時)を切り替えることに成功した。

放電時には、電子が骨格の TCNQ 部位に挿入されてラジカル状態(TCNQ・–)になる。すると、常磁性の水車型ルテニウム二核金属錯体のスピンと長距離磁気秩序を形成して磁石(フェリ磁性体)になり、電荷を補うリチウムイオン(Li+)が同時に層間に挿入され、安定した人工磁石を作り出す。一方、充電時には、その逆の反応により元の中性の化合物に戻る。

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同グループは、開発した化合物を、充放電をしながらその場で磁気測定が可能なリチウムイオン電池の電極として組み込み、磁性の電池電圧依存性を詳細に調べた。そして、非磁性のTCNQ誘導体に1電子が導入されたラジカル状態で磁石としての性質が発現することや、リチウムイオン電池の充放電操作と連動して磁性状態を切り替えられることを明らかにした。

このイオン制御型電磁石は、一度フェリ磁性状態にスイッチしてしまえば、通電し続けなくても磁石としての性質を維持できる。通常の電磁石は通電している間だけ磁石となるが、磁性の維持には通電は必要がない。そのため、今回開発した電磁石は今までよりも消費電力を抑えることが可能。今後、新たな低消費電力の不揮発性の電磁石としての応用などが期待される。

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