研究成果

ナノ合金の画期的な結晶構造制御法の開発に成功 -革新的材料の創製へ-


2018年02月06日


     草田康平 理学研究科特定助教、北川宏 同教授、張権 同博士課程学生、松村晶 九州大学教授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ました。本研究成果は革新的材料の創製へつながると期待されます。

     本研究成果は、2018年2月6日午後7時に英国の雑誌「Nature Communications」に掲載されました。

    研究者からのコメント

    草田特定助教

     今回開発した手法は、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ました。さらに、他の合金系にも応用することが可能であると考えられるため、これまで工業的に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(大きな粒子径を持つ物質)の合金状態図(物質系の状態が状態変数によってどのように変わるかを示す図)にとらわれずに結晶構造を制御でき、その触媒性能などの向上や、既存材料の弱点を克服できることが期待されます。

    本研究成果のポイント

    • これまで自由に制御できなかったナノ合金材料の結晶構造が制御できることを明らかにした。
    • 金とルテニウムのナノ合金について、同一組成でも異なる結晶構造の作り分けに世界で初めて成功した。結晶構造が異なれば、触媒活性等の物質の性質が全く異なるため、結晶構造の作り分けで、同じ金属種・組成の合金で全く違う材料を創出できたと言える。
    • この手法の応用により、新規材料の設計や既存材料の性能向上が期待される。

    概要

     ナノ材料は10-9メートル(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材料です。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ます。

     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ました。

     本研究グループは、一般的なナノ合金粒子の合成方法である化学的還元法(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)の特徴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ました。本研究成果は、ナノ合金材料の設計において結晶構造が新たな設計指針となり得ることを示したと言えます。

    詳しい研究内容について

    書誌情報

    【DOI】 https://doi.org/10.1038/s41467-018-02933-6

    【KURENAIアクセスURL】 http://hdl.handle.net/2433/229016

    Quan Zhang, Kohei Kusada, Dongshuang Wu, Tomokazu Yamamoto, Takaaki Toriyama, Syo Matsumura, Shogo Kawaguchi, Yoshiki Kubota & Hiroshi Kitagawa (2018). Selective control of fcc and hcp crystal structures in Au–Ru solid-solution alloy nanoparticles. Nature Communications, 9, 510.

    • 朝日新聞(2月22日 32面)、京都新聞(2月7日 24面)および日刊工業新聞(2月7日 23面)に掲載されました。

    ナノ合金の画期的な結晶構造制御法の開発に成功 -革新的材料の創製へ-
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