水素吸蔵材料における負熱膨張現象の発見 （片瀬貴義教授）

私たちの身の回りでは、物質は一般に温度が上がると膨張し、温度が下がると収縮するという性質を持ちます。この性質は正の熱膨張と呼ばれ、金属やプラスチックなどの材料で広くみられる現象です。一方で、正の熱膨張とは逆に温度が上がると収縮する材料も存在し、このような材料は負熱膨張材料と呼ばれます。負熱膨張材料は正熱膨張材料と組み合わせることで、材料の線熱膨張係数や体積熱膨張係数の制御を可能とするため、熱膨張制御が強く求められる電子デバイスをはじめとした現代産業分野での活用が期待されます。

東京科学大学総合研究院フロンティア材料研究所の片瀬貴義教授は、東京都立大学大学院理学研究科物理学専攻の水口佳一准教授、渡邊雄翔大学院生（日本学術振興会特別研究員DC1）らの研究グループ、北海道大学大学院工学院の三浦章教授らと共同で、遷移金属ジルコナイドの水素化物であるCoZr₂H_3.49がキュリー温度（139K）以下の温度域で、ある特定の方向にのみ（c 軸方向）負熱膨張を示すことを明らかにしました。水素を含まないCoZr₂は約6Kの超伝導転移温度を示す超伝導体[用語4]であることに加え、広範な温度範囲でc 軸方向に負熱膨張を示します。CoZr₂は水素を吸蔵して強磁性体へと変化することは知られていましたが、CoZr₂と同様の負熱膨張現象を示すかについては報告がありませんでした。本研究では水素を吸蔵したCoZr₂H_3.49に着目し、強磁性領域におけるc 軸負熱膨張現象の観測に至りました。水素を含まないCoZr₂が示すc 軸負熱膨張は単位格子中[用語5]の原子の振動によって駆動される一方、CoZr₂H_3.49のc 軸負熱膨張はキュリー温度以下という限られた温度域で実現することから、CoZr₂H_3.49のc 軸負熱膨張は物質の電子状態の変化、すなわち強磁性転移によって駆動されることが分かります。

今後、実際の水素量を変化させることでc 軸方向の線熱膨張係数の最大化、さらにはa 軸方向の線熱膨張係数の制御が可能となれば、単一物質によるゼロ熱膨張材料の開発が期待されます。

本研究成果は、2月11日（日本時間）付けで米国化学会誌が発行する英文誌 Journal of the American Chemical Society に発表されました。