黑料网

国立大学法人東海国立大学機構 黑料网大学院工学研究科の竹中 康司 教授、門脇 義史 大学院生、岡本 佳比古 准教授らの研究グループは、「温めると縮む」新しい材料を発見しました。この材料は、亜鉛（Zn）、マグネシウム（Mg）、リン（P）を主成分とした酸化物であり、低コストで環境親和性が高いことが特徴です。
通常、材料は温度が上がると体积が大きくなりますが（「热膨张」^注1）という）、ごく稀に温度が上がると体积が小さくなる材料があります。この性质は「负热膨张」^注2）と呼ばれ、热膨张制御の役割が期待されます。
本研究では、ピロリン酸亜铅（窜_n2P₂O₇）が132℃で示す构造相転移^注3）が大きな体積変化を伴い、高温相が低温相に比べて1.8%小さくなることに着目しました。Znの一部をMgで置換することで、-10～80℃の温度範囲で連続的に体積変化を生じさせ、この温度で-60 ppm/℃を超える大きな負の線膨張係数を実現しました。この負熱膨張は、これまで知られている代表的な巨大负热膨张材料、例えばビスマス-ニッケル酸化物と比べても同等の巨大なものです。また、電子デバイス分野はじめ、情報通信や光学、精密プロセスなど、広い産業?技術分野で、計測?加工精度の飛躍的向上や性能安定化、機器の長寿命化等に貢献すると期待されます。
本研究成果は、2021年11月17日付アメリカ科学誌「Applied Physics Letters」に掲載されました。
本研究は、文部科学省?科学研究費助成事業 基盤研究（S）および基盤研究（A）の支援のもとで行われたものです。

【ポイント】

?ピロリン酸亜铅（窜_n2P₂O₇）の亜铅を一部マグネシウムで置换することで、负热膨张を実现。
?巨大な负の热膨张を、低コストで环境亲和性が高い元素で実现。
－微粒子化も可能で、電子デバイスはじめ様々な産業分野で热膨张制御に期待－
?本研究成果をもとに技术移転の取り组みを进めており、2022年早々に试験供给可能。

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【用语説明】

注1）热膨张
温度の上昇に伴い物质?材料の体积が大きくなる现象のこと。「パウリの排他原理」という自然法则により、原子同士は极端に近づくことが许されない。このため、温度が上昇し原子の热振动が大きくなると、反発力を受け、徐々に原子间の距离が拡がる。これが热膨张である。自然法则に由来するため、避けがたいと考えられている。
固体材料の热膨张は线热膨张&顿别濒迟补;L/L = [L(T) – L(T0)]/L(T0)で评価される。その温度微分、すなわち线热膨张の倾きが、&补濒辫丑补;(T)=(dL/dT )/L(T0)で定义される线膨张係数であり、热膨张の温度変化に対する割合を意味する。ここで、Tは温度、T0は基準温度、L は温度Tでの长さである。方向依存性がない等方的な材料の场合、线热膨张は本质的に体热膨张を表し、&顿别濒迟补;V/V= 3ΔL/Lの関係にある（V :体积）。

注2）負熱膨張と负热膨张材料
通常とは逆に温度が上昇すると体積が小さくなることを負熱膨張、負熱膨張を示す材料を负热膨张材料と呼ぶ。これらは、ごく稀に存在する。负热膨张材料は、通常の材料と組み合わせることで材料の熱膨張を特定の値、例えばゼロにできるため、热膨张制御材料として工業的にきわめて価値が高い。

注3）构造相転移
温度、磁场、圧力などの物理パラメータの特定の値を境に、物质の物理的状态が変化する现象のことを一般に相転移という。典型的には、水が0℃を境に固体（氷）から液体（水）に変化する融解などの现象がある。物质そのものが変化する化学変化とは异なる。窜_n2P₂O₇では、132℃で结晶构造が変化し、それにともない、高温相で体积が小さくなる。こういった相転移を构造相転移という。

【论文情报】

雑誌名：Applied Physics Letters 119 (2021) 201906.
論文タイトル：Structural phase transition and giant negative thermal expansion in pyrophosphate Zn_2-xMg_xP₂O₇
著者：Y. Kadowaki, R. Kasugai, Y. Yokoyama, N. Katayama, Y. Okamoto, and K. Takenaka, Department of Applied Physics, 黑料网
顿翱滨：10.1063/5.0073761
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【研究代表者】