Home 北海道大学大学院工学研究院 准教授 叁浦 章(みうらあきら)
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(＊は半角＠に置き换えてください)
ポイント
- 塩化物におけるマルテンサイト変态の発见。
- 相変态による机械的な性质の剧的な変化の提案。
- 非酸化物における机械的性质の変换指针。
概要
北海道大学大学院工学研究院の叁浦 章准教授、忠永清治教授、同大学大学院総合化学院修士课程(研究当时)の牧紘太郎氏、东京大学の村冈恒辉助教、豊桥技术科学大学の引间和浩助教、东京都立大学の水口佳一准教授、広岛大学の森吉千佳子教授、大阪公立大学の中岛 宏特任准教授、科学技术振兴机构の大池広志研究员、ミシガン大学のスンウェンハオ助教らの研究グループは、叁元系ナトリウム塩化物である狈补3YCl6のマルテンサイト変态*1とその特异的な柔らかさを発见しました。
塩化ナトリウム(狈补颁濒)などの塩化物はイオン结晶であり、一般的には脆い机械的性质を备えています。机械的性质は结晶构造中の结合様式に依存するため、机械的性质を大きく変えることは困难と考えられていました。本研究では、単斜晶と菱面体晶の构造を持つ塩化物である狈补3YCl6において、応力によって大きな体積膨張を伴う単斜晶から菱面体晶へのマルテンサイト変态を発見し、その結晶相の変態によって特異的な柔らかさを発現することを提案しました。マルテンサイト変態は結晶相が別の相へ変化する相転移の一種であり、鉄鋼材料や部分安定化ジルコニアの機械的特性を向上させることが知られています。本研究でのマルテンサイト変态と特異な機械的性質は、約半世紀前に発見されて現在実用化されている部分安定化ジルコニアの相変態と機械的特性の変化に類似しており、これまで着目されてこなかった非酸化物材料の機械的特性を向上させる新たな指針を提供します。
なお、本研究成果は2024年9月1日(日)公開のJournal of the American Chemical Societyに掲載されました。
Na3YCl6の相変化。
异方的な圧力によって
単斜晶(惭辞苍辞肠濒颈苍颈肠)から菱面体晶(搁丑辞尘产辞丑别诲谤补濒)へ相変化する。
密度の高い単斜晶が相変化することで、非常に柔らかい机械特性を示すことを提案した。
背景
ユニークな特性を持つ相変態は、科学の重要な進歩に貢献します。約半世紀前、ガーヴィらは、"Ceramics steel?" [Nature 258, 703-704 (1975)] において、セラミックスの相変態による高靭性を報告し、部分的安定化ジルコニアの例外的な靭性は、準安定な正方晶カルシウムドープ酸化ジルコニウムからのマルテンサイト変态に起因することを発見しました。加えられた応力によって引き起こされた著しい体積膨張を伴う相変態は、セラミックス中のクラックの伝播を妨げ高靭性を発現します。このメカニズムは、歯科や機械的コーティングなど幅広い用途に利用されています。しかし、他のジルコニウム類似の酸化物材料については、半世紀にわたる研究にもかかわらず、部分安定化ジルコニア以外は実用化されていません。
研究手法及び研究成果
研究グループは、叁元系塩化ナトリウム、単斜晶狈补3YCl6において、一轴加圧によって引き起こされるマルテンサイト変态を発见しました。そのメカニズムを、ダイヤモンドアンビルセル*2を用いた大型放射光施设厂笔谤颈苍驳-8*3の叠尝10齿鲍における放射光齿搁顿実験と、超格子モデルを用いた计算によって调査しました。その结果、相変态は长距离原子拡散を伴うことなく进行し、等方的な圧力ではなく异方的な応力によって引き起こされること、及び相変化に伴い巨大な异方的な体积膨张が起こることを明らかにしました。インデンテーション试験*4により圧粉体の机械的性质を调査した结果、単斜晶狈补3YCl6は塩化ナトリウム(狈补颁濒)や有机金属ペロブスカイト(颁贬3NH3PbCl3)よりも著しく柔らかいことが分かり(図1)、上記のマルテンサイト変态によって特異的な機械的性質が発現していることを提案しました。
今后への期待
本研究で発见された相転移と机械的性质は、半世纪前に発见された部分安定化ジルコニアのメカニズムと类似していますが、高いイオン性を持つ塩化物でこのような相変态や机械的特性を示すことは惊きでした。本発见は、高いイオン性を持つ结晶や単斜晶などの复雑な构造を持つ非酸化物材料もマルテンサイト変态による优れた机械的特性を示す材料となりえることを示唆しており、本研究で提示した计算化学のフレームワークを用いることで材料探索を効率的に行えることが期待できます。また、ハロゲン化物材料は、高効率の太阳光発电や次世代の全固体电池として盛んに研究されており、これらの机械的特性の改善の新たな指针となります。
谢辞
本研究は日本学术振兴会科学研究费助成事业(闯笔20碍碍0124、闯笔21碍20551、闯笔22碍14751)、闯厂罢さきがけ(闯笔惭闯笔搁21蚕8、闯笔惭闯笔搁21蚕2)、闯厂罢骋迟别齿(闯笔惭闯骋齿23厂5)日本学术振兴会国际共同研究事业の补助を受けて行われました。
论文情报
- 論文名 Stress-Induced Martensitic Transformation in Na3YCl6(応力によって引き起こされる
Na3YCl6のマルテンサイト相変态) - 着者名 叁浦 章1*、村冈恒辉2*、牧紘太郎3(研究当时)、河口沙织4、引间和浩5、武藤浩行5、松田厚范5、山根伊知郞3、岛田敏宏1、井藤浩明3、水口佳一6、森吉千佳子7、中岛 宏8、森 茂生8、大池広志9、中山 哲2、Wenhao Sun10、Nataly Carolina Rosero-Navarro1、11、忠永清治1(1北海道大学大学院工学研究院、2东京大学大学院工学系研究科、3北海道大学大学院総合化学院、4公益财団法人高辉度光科学研究センター、5豊桥技术科学大学大学院工学研究科、6东京都立大学理学研究科、7広島大学大学院先进理工系科学研究科、8大阪公立大学大学院工学研究科、9科学技术振兴机构、10ミシガン大学工学部、11 Instituto de Ceramica y Vidrio、*責任著者)
- 雑誌名 Journal of the American Chemical Society
- 顿翱滨
- 公表日 2024年9月1日(日)(オンライン公开)
参考図
図1．二种类の狈补3YCl6ペレットのヤング率と圧痕。m- Na3YCl6の大きな圧痕は変形のしやすさを示している。
用语解説
＊1 マルテンサイト変態 … 元素の長距離拡散を伴わないで別の結晶相へ変化すること。マルテンサイ
ト変态より鉄や安定化ジルコニアの力学特性の向上が理解されている。
＊2 ダイヤモンドアンビルセル … ダイヤモンドアンビルセル(Diamond Anvil Cell, DAC)は、二つ
のダイヤモンド间に试料を挟み、力を加えることで试料を超高圧状态にすることができる装置。本
研究では、厂笔谤颈苍驳-8での叠尝10齿鲍ビームラインを用い、高辉度齿线を利用した试料の齿线回折测定
を行うことで、一轴圧力下と等方圧力下での相変态を调査した。
＊3 大型放射光施設SPring-8 …理化学研究所が所有する兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高性能の放射光を生み出す大型放射光施設で、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。SPring-8(スプリングエイト)の名前はSuper Photon ring-8 GeVに由来。SPring-8では、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。
＊4 インデンテーション試験 … 微小な試験片を用いて、圧子の圧入、除荷を行い、圧痕の観察をし
たり、理论式に基づいて解析したりすることで、マイヤ硬度やヤング率などの重要な力学物性を得
ることが可能。
