林直顕 物質－細胞統合システム拠点（iCeMS）研究員、高野幹夫名誉教授、東正樹 東京工業大学応用セラミックス研究所教授、北條元 同助教、岡研吾 中央大学理工学部助教、水牧仁一朗 高輝度光センター副主幹研究員、肥後祐司 同研究員、安居院あかね 原子力機構研究主幹らの共同研究チームは、室温付近で既存材料の2倍以上の大きさの「負の熱膨張」を示す酸化物材料「BiNi 1- x Fe x O 3 （ビスマス・ニッケル・鉄酸化物）」を発見しました。
本研究成果は、2015年2月12日発行の米国科学誌｢Applied Physics Letter｣オンライン版に掲載されました。
研究者からのコメント
今回、新たに発見された負の熱膨張材料「BiNi 1- x Fe x O 3 」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さまざまな分野での利用が期待されます。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ます。
概要
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します。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ります。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）ことが行われています。
しかし、現状では負の熱膨張を持つ物質の種類が少なく、市販品では最高でも温度上昇1度当たり100万分の40（-40×10 -6 ／度）の負の線熱膨張係数（収縮）と、小さいことが問題でした。東教授が2011年に報告した「Bi 0.95 La 0.05 NiO 3 （ビスマス・ランタン・ニッケル酸化物）」は温度上昇1度当たり100万分の82（-82×10 -6 ／度）という巨大な負の熱膨張を示しますが、温度履歴が大きいことが問題でした。また、熱膨張抑制材としての実証もなされていませんでした。
そこで本研究グループは、大型放射光施設SPring-8のビームラインBL02B2での放射光Ｘ線回折による精密構造解析と、BL27XUでの放射光Ｘ線吸収実験を行い、その結果、室温付近で既存材料の2倍以上の大きさの「負の熱膨張」を示す酸化物材料「BiNi 1- x Fe x O 3 」を発見しました。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を抑制することもできます。
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を作製するのに使われます。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ました。
図：BiNi 1- x Fe x O 3 の低温（左）と、高温（右）の結晶構造
詳しい研究内容について
書誌情報
[DOI] http://dx.doi.org/10.1063/1.4908258
K. Nabetani, Y. Muramatsu, K. Oka, K. Nakano, H. Hojo, M. Mizumaki, A. Agui, Y. Higo, N. Hayashi, M. Takano, and M. Azuma
"Suppression of temperature hysteresis in negative thermal expansion compound BiNi 1- x Fe x O 3 and zero-thermal expansion composite"
Applied Physics Letters 106, 061912 published online 12 February 2015
掲載情報
- 科学新聞（3月27日 6面）に掲載されました。
