センター、京都大学との共同研究により、室温付近で既存材料の2倍以上の大きさの「負の熱膨張」[用語1]を示す酸化物材料「BiNi1-xFexO3(ビスマス・ニッケル・鉄酸化物)」を発見した。添加元素の量を変化させることで負の熱膨張が現れる温度域を制御できるほか、これまでの材料の問題点だった温度履歴[用語2]を抑制することもできる。負の熱膨張材料は光通信や半導体製造装置など、精密な位置決めが求められる局面で、構造材の熱膨張を打ち消(キャンセル)したゼロ熱膨張物質[用語3]を作製するのに使われる。今回の新材料をエポキシ樹脂中に少量分散させることにより、熱膨張をゼロにできることも確認した。Letter)」オンライン版に掲載された。研究の背景ほとんどの物質は温度が上昇すると、熱膨張によって長さや体積が増大する。光通信や半導体製造などの精密な位置決めが要求される局面では、このわずかな熱膨張が問題になる。そこで、昇温に伴って収縮する「負の熱膨張」を持つ物質によって、構造材の熱膨張を打ち消す(キャンセルする)ことが行われている。°C)の負の線熱膨張係数(収縮)と、小さいことが問題だった。°C)という巨大な負の熱膨張を示すが、温度履歴が大きいことが問題だった。熱膨張抑制材としての実証もなされていなかった。°C)という、Bi0.95La0.05NiO3の2倍以上の負の線熱膨張係数[用語5]を持つことを発見した。これにより、熱膨張抑制材として用いる量を半分に減らすことが出来る。SPring-8[用語6]のビームラインBL02B2での放射光X線回折[用語7]による精密構造解析と、BL27XUでの放射光X線吸収実験[用語8]から、低温ではビスマス(Bi)の半分が3価、残りの半分が5価という、特異な酸化状態を持っているが、昇温すると、ニッケル(Ni)の電子が一つ5価のビスマスに移り、ニッケルの価数が2価から3価に変化し、酸素をより強く引きつけるようになることが分かった。この際、ペロブスカイト構造の骨格をつくるニッケル(Ni)-酸素(O)の結合が縮むため、約3%の体積収縮が起こる。この変化は徐々に起こるので、広い温度範囲にわたって連続的に長さが収縮する、負の熱膨張が観測される。図2のように、X線回折実験で求めた微視的な格子定数[用語9]変化と、熱機械分析装置[用語10]を用いた巨視的な試料長さの変化の両方で、負の熱膨張を確認した。負の熱膨張が起こる温度域を、ニッケル(Ni)を置換する鉄(Fe)の量を変化させることによってコントロールできることを突き止めた。Bi0.95La0.05NiO3(ビスマス・ランタン・ニッケル酸化物)ではLa濃度を増やした場合に70°C以上にもなってしまっていた温度履歴幅を、BiNi1-xFexO3(ビスマス・ニッケル・鉄酸化物)では組成によらず15°C以下に抑制できた。°C)というエポキシ樹脂の熱膨張を相殺し、27°Cから57°Cの範囲でゼロ熱膨張を実現できることも示した。BiNi0.85Fe0.15O3/エポキシ樹脂コンポジットの写真と、熱機械分析装置で測定した、エポキシ樹脂、BiNi0.85Fe0.15O3、コンポジットの試料長さ温度変化。エポキシ樹脂の大きな熱膨張がBiNi0.85Fe0.15O3の添加によって押さえられ、300-320K(27°C-57°C)の範囲で、ゼロ熱膨張が実現していることが分かる。今回、新たに発見された負の熱膨張材料は、精密光学部品や精密機械部品など、既存の負の熱膨張材料が担っていた様々な分野での利用が期待される。それに加えて、絶縁体-金属転移を伴うことから、長さの変化を電気抵抗の巨大な変化に変換する、高精度のセンサー材料への応用へつながることも考えられる。ホソカワ粉体工学振興財団の援助を受けて行った。エポキシ樹脂はナミックス株式会社から提供を受けた。通常の物質は温めると体積や長さが増大する、正の熱膨張を示す。一部の物質は温めることで可逆的に収縮する。した性質を負の熱膨張と呼び、ゼロ熱膨張材料を開発する上で重要である。昇温時と降温時で試料長さに差が出ること。温度を変化させても伸び縮みしない材料。ナノテクノロジーを支える精密な位置決めのために重要。正の熱膨張を持つ物質と負の熱膨張を持つ物質を組み合わせることで実現する。一般式ABO3で表される元素組成を持つ、金属酸化物の代表的な結晶構造。温度を1°C変化させたときの、長さの相対的な変化量。兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高の放射光を生み出す理化学研究所の施設で、その運転管理と利用者支援等は高輝度光科学研究センター(JASRI)が行っている。GeV(ギガ電子ボルト)に由来。放射光とは、電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げた時に発生する、細く強力な電磁波のこと。SPring-8では、この放射光を用いて、ナノテクノロジー、バイオテクノロジーや産業利用まで幅広い研究が行われている。物質の構造を調べる方法。放射光X線を試料に照射し、回折強度を調べることで結晶構造(原子の並び方や原子間の距離)を決定する。連続的なスペクトルを持つ放射光X線を、エネルギーを変化させながら試料に照射し、透過してきたX線の強度を分析することで原子の価数や電子状態についての知見を得る。結晶構造中の原子の繰り返し周期の長さ。この変化が、物質の巨視的な長さの変化につながる。教職員向け(学内限定)。