京大ら,ナノ合金の画期的な結晶構造制御法を開発

京都大学と九州大学らの研究グループは,高輝度光科学研究センターと共同で,ナノ合金の画期的な構造制御法の開発に成功した(ニュースリリース)。

ナノ材料はナノメートル単位の精度で制御された次世代産業の基盤技術であり,家電製品や化粧品などの日用品から化学プラントにおける触媒などの工業用まで,幅広い用途が期待されている。なかでもナノ合金材料は磁性体,触媒,光学材料などとして幅広く研究されている。

ナノ合金材料を設計する際には,金属元素の種類,組成,粒子サイズ,形状などが主な設計指針であり,結晶構造は金属元素の種類と組成により一義的に決まるため,制御できないものとして認識されていた。

研究グループは,一般的なナノ合金粒子の合成方法である化学的還元法の特長をうまく利用することにより,金(Au)とルテニウム(Ru)という組み合わせによる固溶体ナノ合金合成において,面心立方格子(fcc)と六方最密構造(hcp)の固溶体ナノ合金を作り分けることに成功した。

化学的還元法とは,金属前駆体中の金属イオンを還元剤で還元して原子に変え,その原子が自己集合して粒子が大きくなる過程を,保護剤を用いることで抑制し,ナノメートルオーダーの粒子を得る方法。

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における放射光粉末X線回折実験で,合金形成メカニズムは紫外可視分光および電気化学実験で明らかにした。この研究のような結晶構造の制御はこれまで報告例がなく,これまで自由に制御できなかったものを新たな設計手法として利用できる可能性を示した。

研究では一つの例としてルテニウム(hcp 構造)と金(fcc 構造)の合金系を使用したが,同様の制御は異なる結晶構造を有する金属から構成される他の合金系にも応用可能と考えられるという。そのため,合金状態図には存在しない結晶構造を持つ合金も合成が可能となり,これによって触媒や磁性材料など工業的に広く用いられているナノ合金材料の性能向上や弱点の克服が期待されるとしている。

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