増田亮 原子炉実験所研究員、小林康浩 同助教、北尾真司 同准教授、黒葛真行 同研究員、齋藤真器名 同助教、瀬戸誠 同教授、細井浩平 理学研究科博士課程学生（現九州大学大学院工学研究院）、小林浩和 同特定准教授、北川宏 同教授、および依田芳卓 高輝度光科学研究センター主幹研究員、三井隆也 日本原子力研究開発機構研究員からなる研究グループは、磁性元素として地球上で二番目に多いニッケル（Ni）に対する「放射光メスバウアー吸収分光法」と呼ばれる先端的計測手法を大幅に高度化し、通常のニッケル金属とは異なる構造をしたニッケルナノ粒子の磁性を測定することに成功しました。これにより、ニッケルを含む多くの磁石材料や触媒材料の開発を促進するものと期待されます。
本研究成果は、2月17日（グリニッジ標準時）に英国科学誌「Scientific Reports」誌（電子版）に掲載されました。
研究者からのコメント
増田研究員
ニッケルは磁性体・電極材・水素貯蔵物質・有機反応の触媒など多種多彩に利用される元素です。このニッケルに対する「放射光メスバウアー吸収分光法」と呼ばれる先端的分析法を高度化したことで、こういった機能性材料のにおけるニッケルの状態(価数や磁気モーメント)の分析が従来より容易にかつ試料が少ない場合でも行えるようになりました。さまざまなニッケル成分が含まれる物質に対しても成分ごとに分離できるので、いろいろなニッケル錯体や、有機物や金属錯体の構造体で被覆されたナノ粒子など、複雑かつ多様なニッケル含有材料の分析における強力なツールになることが期待されます。
概要
ニッケルをナノ粒子化して、バルク（塊）のニッケルと全く異なる物質現象を発現させることで新しい高機能材料を創出させるための研究が近年盛んに進められています。このような先端ナノ材料の開発においては、候補物質の機能発現のメカニズムを解明して、高性能化を図った後に大量生産に向けた技術開発が行われます。ところが、多くの場合、開発の初期段階で得られる候補物質は少量であり、その微量な試料の材料特性を調べられる手法が必要不可欠となっています。このため、レーザーのように微量試料をピンポイントで測定できる指向性の強い放射光を光源に用いたニッケルのメスバウアー分光法の実用化に大きな期待がもたれていました。
本実験では、僅か0.1グラム（従来法で実験を行うのに必要な試料量の10分の1以下）のナノ粒子に放射光をピンポイントで照射することにより、統計性の良いスペクトルを得ることに成功しました。スペクトルの解析から求められたニッケルナノ粒子の磁気モーメントの大きさは0.3μBで、バルクのニッケルの半分以下にまで低下していることが分かりました。ニッケルナノ粒子の磁気モーメントが低下する原因としては、結晶構造が異なることに加えて、試料作製の過程で混入した炭素による影響が予想されます。このため、理論計算と実験結果を比較した結果、今回測定を行ったナノ粒子では、ニッケルに対して10％程度の炭素が入り込んでいることを突き止めました。
放射光を用いて測定したニッケル金属（バルク）のメスバウアースペクトル（a）とニッケルナノ粒子のメスバウアースペクトル（b）。吸収線の幅がニッケルの磁力の強さに比例します。これらの試料は、安価な市販のニッケルで作製されており、高価な同位体富化は行っていません。横軸の速度は、1mm/s=0.225μeVでエネルギーに変換できます。 詳しい研究内容について
書誌情報
[DOI] http://dx.doi.org/10.1038/srep20861
[KURENAIアクセスURL] http://hdl.handle.net/2433/204598
Ryo Masuda, Yasuhiro Kobayashi, Shinji Kitao, Masayuki Kurokuzu, Makina Saito, Yoshitaka Yoda, Takaya Mitsui, Kohei Hosoi, Hirokazu Kobayashi, Hiroshi Kitagawa & Makoto Seto
" 61 Ni synchrotron radiation-based Mössbauer spectroscopy of nickel-based nanoparticles with hexagonal structure"
Scientific Reports 6, Article number: 20861 Published: 17 February 2016
