日本开发成功划时代的纳米合金晶体结构控制法

新技术 2018年03月28日

日本京都大学研究生院理学研究科特聘助教草田康平及教授北川宏等人组成的研发小组与九州大学研究生院工学研究院教授松村晶及日本高辉度光科学研究中心(JASRI)合作,成功开发出了具有划时代意义的纳米合金结构控制方法。本成果有望用于研发创新材料。

纳米材料以10-9米(纳米)级精度进行控制,是新一代产业的基础技术,从家电产品、化妆品等日用品,到化工厂使用的催化剂等工业用途,纳米材料在众多领域的应用备受期待。对于其中可作为磁性体、催化剂和光学材料等的纳米合金材料,目前更是展开了广泛研究。

设计纳米合金材料时,以金属元素的种类、组成、颗粒尺寸及形状等为主要设计准则,而晶体结构主要由金属元素的种类和组成决定,因此过去一直认为是无法控制的。

此次的研究灵活利用普通的纳米合金颗粒合成方法——化学还原法注1)的特点,在组合使用金(Au)和钌(Ru)实施固溶体纳米合金合成时,成功制作了面心立方晶格(fcc)结构和六方最密堆积(hcp)结构的固溶体纳米合金(图)。此次的成果表明,在纳米合金材料的设计中,晶体结构也能成为新的设计准则。

此次开发的方法显示出了将以前无法自由控制的性质作为新设计方法利用的可能性,另外还有望应用于其他类型的合金。以前广泛用于工业用途的纳米合金材料也可以不再受限于块体(Bulk)注2)的合金状态图注3),只需研究合成方法就可以控制晶体结构,有望提高催化剂性能等,也有望克服现有材料的缺点。

本次研究成果于2018年2月6日发表在了英文杂志《自然通讯》(Nature Communications)上。

<研究方法及成果>

为了控制纳米合金颗粒的晶体结构,本研究着眼于普通的金属纳米颗粒合成方法——化学还原法的特点。化学还原法是在抑制粒径增长的聚合物等保护剂之下,利用还原剂将金属前驱体(金属离子)还原成原子,并使其进行自组装,由此获得纳米颗粒的合成方法。因此,通过控制还原金属前驱体的时机等,能合成多种类型的金属纳米颗粒。

该研发小组以前利用这种化学还原法,通过组合在块体状态下未混合的金属,开发出了在原子水平上混合(固溶体)的纳米合金颗粒等,但要想合成合金,必须同时还原作为构成元素的前驱体。本研究通过在还原时机上形成微小的差异,实现了在形成合金的同时,控制其晶体结构。

合金构成元素的原始晶体结构不同时(例如一种金属为fcc结构,另一种金属为hcp结构等),纳米合金颗粒的晶体结构会在晶核的结构控制下生长。因此,研究小组预测,在形成合金的过程中是由稍早开始还原的金属控制晶体结构,并利用hcp结构的钌(Ru)和fcc结构的金(Au)进行了验证。通过改变金属前驱体的种类和反应条件,并精确控制Ru离子与Au离子保持不同的还原速度,成功地以相同的构成分别制作了hcp结构和fcc结构的固溶体合金。

纳米合金晶体的结构已通过原子分辨率扫描透射电子显微镜及大型同步辐射设施SPring-8注4)编号为BL02B2的同步辐射粉末X射线衍射注5)实验确认,合金形成机制则通过紫外可见光谱及电化学实验查明。此前并没有类似本研究的晶体结构控制报告,这项研究显示出了将以前无法自由控制的性质作为新设计方法利用的可能性。

<参考图>

图 晶体结构的选择性控制

图 晶体结构的选择性控制

注1)化学还原法
利用还原剂将金属前驱体中的金属离子还原成原子,利用保护剂抑制颗粒随着原子的自组装变大的过程,从而获得纳米级颗粒的方法。

注2)块体
大颗粒物质。市售的金属粉末等一般均为块体状态。

注3)状态图
表示物质系统的状态如何根据状态变量发生变化的图。状态变量包括温度、压力和密度,多成分系统除这些外还包括成分比等。

注4)大型同步辐射设施SPring-8
日本理化学研究所的设施,位于兵库县播磨科学花园城,能产生全球最高性能的同步辐射光源,设施的运行和用户支持由日本高辉度光科学研究中心(JASRI)负责。同步辐射是指,将电子加速至与光基本相同的速度,利用电磁铁弯转电子的行进方向时产生的细而强的电磁波。SPring-8利用这种同步辐射开展纳米技术、生物技术及产业应用等广泛研究。

注5)粉末X射线衍射
向粉末照射X射线,则可观察到与构成晶体的原子和分子的有序排列相对应的衍射现象(衍射图案)。通过分析衍射图案,能查明原子和分子在晶体中是如何排列的。

文/客观日本编辑部
图/2月6日新闻稿

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