北大など、手作業だけで構造が相転移する超セラミックスの開発に成功

北海道大学(北大)、北陸先端科学技術大学院大学(JAIST)、京都大学(京大)の3者は3月25日、窒素原子2つと炭素原子1つで構成される2価の陰イオン「カルボジイミドイオン」で構成される「超セラミックス」について、乳鉢と乳棒を用いた人手による粉砕で相転移が起きることを初めて実証したと共同で発表した。

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  乳鉢と乳棒で粉砕するだけで、結晶構造が変化するカルボジイミド化合物が開発された。粉砕によって色が変化し、赤色蛍光体となる(出所:JAIST Webサイト)

同成果は、北大大学院 工学研究院の鱒渕友治准教授、同・樋口幹雄准教授(研究当時)、北大大学院 総合化学院の山本侑瑞樹大学院生、同・久米和樹大学院生、同・宮崎涼花大学院生(研究当時)、北大大学院 理学研究院の篠崎彩子助教、JAIST サスティナブルイノベーション研究領域の宋鵬氏(現・東北大学助教)、同・本郷研太准教授、同・前園涼教授、JAIST 先端科学技術研究科のサイード・サリア・ハサン大学院生、京大大学院工学研究科の生方宏樹特定助教、同・陰山洋教授らの共同研究チームによるもの。詳細は、米国化学会が刊行する機関学術誌「Journal of the American Chemical Society」に掲載された。

化学組成を維持したまま、温度や圧力などの変化によって同じ物質の結晶構造が変化する現象は「構造相転移」と呼ばれる。例えば、グラファイト型の炭素は10万気圧以上もの高圧によってダイヤモンドに相転移し、硬度が劇的に向上する。一般的に、構造相転移には高温や高圧といった特殊な条件が必要となる場合が多いが、比較的柔らかい有機化合物においては、試料を粉砕したりこすったりする機械的刺激で相転移が誘起されることが知られており、その応用として刺激応答性の発光材料などへの展開が期待されている。

一方、金属酸化物などのセラミックスは有機化合物と比較して一般的に硬く、化学的にも安定であるため、機械的刺激による構造相転移は知られていなかった。従来のセラミックスは、酸化物イオンや塩化物イオンなどの単原子アニオン(陰イオン)で構成されていたのに対し、複数の原子によって形成される分子アニオンを含むセラミックスは“超セラミックス”と呼ばれ、分子アニオンの寄与による特徴的な構造相転移が期待されていた。