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ホウ素は融けると金属になる?
~宇宙実験技術を活用してホウ素の謎を解明~

平成27年4月20日

科学技術振興機構(JST)
宇宙航空研究開発機構
高輝度光科学研究センター
東京大学

ポイント
  • 宇宙実験技術「静電浮遊法」を用いて、ホウ素(融点2,077℃)を中空で溶融させ、その状態の電子構造を測定することに世界で初めて成功した。
  • ホウ素の溶融状態は金属ではないことが判明した。
  • この方法を利用し、物質の超高温状態の性質を理解することで、新たな材料開発につながることが期待される。

 JST 戦略的創造研究推進事業において、宇宙航空研究開発機構(JAXA) 宇宙科学研究所(常田 佐久 所長)の岡田 純平 助教、石川 毅彦 教授と東京大学(五神 真 総長)の木村 薫 教授を中心とする研究グループは、宇宙実験技術「静電浮遊法」と大型放射光施設 SPring-8注1)を用いて、溶融したホウ素の電子構造を解明することに世界で初めて成功しました。これまで理論的には金属ではないかと考えられていたホウ素融体が、実は金属ではなく、半導体的性質を強く持つことを明らかにしました。
 軽くて硬いという特徴を持つホウ素(B)は、採掘が容易なことから古くから人類が用いてきた元素です。ホウ素を含む材料は、ガラス製品の母材の酸化ホウ素(B2O3)、日本で発見された高温超伝導材料のニホウ化マグネシウム(MgB2)、あるいは、非常に硬く、研磨剤などに使われるボロンカーバイト(B4C)など、私たちの周りにおいてさまざまな形で利用されています。
 ホウ素の性質について、これまでさまざまな研究が行われてきましたが、ホウ素の溶融状態については、2,000℃を超える高い融点を持つことと、ホウ素の融体を保持する容器が存在しないことが障害となり、その性質は良く分かっていませんでした。
 今回の成果により、ホウ素の溶融状態の性質が、理論的に予想された性質と異なることが分かりました。こうした物質を正確に理解し利用することで、新たな材料開発につながると期待されます。
 本研究成果は、米国物理学会誌「Physical Review Letters」に掲載され、オンライン版でも近日中に公開されます。

本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。

戦略的創造研究推進事業
研究領域 「新物質科学と元素戦略」
(研究総括:細野 秀雄 東京工業大学 フロンティア研究機構
/応用セラミックス研究所 教授)
研究課題名 「超過冷却液体を用いたナノスケール複合材料の創製」
研究者 岡田 純平(宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究所 助教)
研究期間 平成24(2012)年10月~平成28(2016)年3月

研究の背景と経緯

 周期律表において元素は、大きく分けると、金属と非金属(半導体、絶縁体)に分類されます(図1)。ホウ素や硅素(シリコン)などの元素は、金属と非金属の境界に位置します。こうした元素は、固体と液体とで性質が大きく異なることが知られています。シリコン、炭素、ゲルマニウムなどは、固体では典型的な半導体ですが、溶けると金属になります。これまで理論的な予想として、シリコンなどのように、ホウ素は溶けると金属になると考えられてきましたが、実際にホウ素が溶けると金属になるのかは明らかになっていませんでした。

研究の内容

 ホウ素融体を研究する際の障害となるのが、ホウ素の融点が2,077℃と非常に高く、極めて反応性に富むことです。ホウ素融体はあらゆる材料と反応するために、ホウ素融体を安定に保持できる容器は存在しないと考えられています。そこで岡田助教らは、容器を用いずにホウ素を溶融可能な静電浮遊法を用いることにしました。

 静電浮遊法は、国際宇宙ステーションでの実験に向けてJAXAが開発してきた技術です(図2)。この実験技術は静電気を用いて材料を浮遊保持するので、容器を用いる必要がなく、溶融状態のホウ素であっても他の物質と反応することはありません。この方法を用いることにより、ホウ素を溶融して保持することに成功しました。

 次に、ホウ素融体が金属であるかどうかを調べるために、大型放射光施設SPring-8注1)のBL08Wの実験ステーションに静電浮遊溶解装置を設置し、コンプトン散乱測定法注2)と呼ばれる、物質中の電子の振る舞いを直接見る手法を用いて、ホウ素融体中の電子の挙動を観測しました。実験結果を計算機シミュレーションで解析することにより、ホウ素融体中の電子の分布を求めました。その結果、ホウ素融体中の電子は、それほど動き回っておらず、むしろ大半の電子が原子間に拘束されていることが判明しました。このことは、ホウ素融体は金属ではなく、半導体であることを意味します。

今後の展開

 超高温や超高圧などの極限環境における物質の性質を調べることは容易ではありません。今回用いた静電浮遊法は、2,000℃以上の超高温状態を中空に実現できる画期的な手法です。静電浮遊法を用いることにより、これまでは調べることが困難だった超高温状態における物質の性質を調べることが可能になります。

 超高温の状態におかれた物質について、我々が理解していることは限られています。今回の研究でも、ホウ素の溶融状態の性質が、理論的に予想された性質と異なることが分かりました。化合物(複数の元素が混ざった物質)については、超高温状態の性質が分かっていない物質が多く存在します。こうした物質を正確に理解し利用することにより、新たな材料開発につながることが期待されます。

参考図

図1 周期律表

図2 静電浮遊法

 静電浮遊法は、NASAとJAXAにより開発された、静電気を用いて試料を浮遊させる技術である。現在、JAXAにより国際宇宙ステーション「きぼう」日本実験棟へ搭載する超小型静電浮遊溶解装置の開発が進められている。2015年中に「きぼう」に輸送され、地上では実施が困難な高温融体の実験が行われる予定である。
 静電浮遊法は、帯電した試料に静電場をかけ、(地上では)重力と釣り合わせることによって、試料を2枚の電極間の任意の位置に浮遊させる手法。標準的な電極間距離は約10mm、試料サイズは約2mm。紫外線の照射により試料を正に帯電させる。電極間には10~20kVの電圧をかけ、CCD位置検出器で測定した試料の位置情報を用い、コンピュータ制御によって電極間の電圧を調整し、試料位置を±10μm以内の精度で制御する。試料温度は放射温度計を用いて測定する。浮遊試料に高出力レーザを照射することにより、3,000℃を超える超高温を実現できる。

用語解説

注1)SPring-8

兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高エネルギーの放射光を生み出す理化学研究所の施設で、その運転管理と利用者支援などは高輝度光科学研究センター(JASRI)が行っている。SPring-8の名前はSuper Photon ring-8 GeV(ギガ電子ボルト)に由来している。放射光とは、電子を光速に近い速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げた時に発生する、強力な電磁波のことである。SPring-8では、この放射光を用いて、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。

注2)コンプトン散乱測定法

光(X線)は粒子としての性質を持ち、光子とも呼ばれる。X線光子と電子がビリヤードの球のように衝突したときに、光子は電子によって散乱され、電子も弾き飛ばされる。衝突後の光子のエネルギーは衝突前に比べて低くなって観測される。このような散乱現象をコンプトン散乱と呼ぶ。初等的な教科書では、コンプトン散乱は静止した電子とX線光子との弾性衝突として説明されているが、現実の物質中の電子は常に運動している。そのため、コンプトン散乱されたX線光子は、電子の運動量を反映して(ドップラー効果)、エネルギー分布が示される。エネルギーに対するX線の散乱強度を測定したものをコンプトン・プロファイルと呼び、これが物質中の電子の運動量を反映していることを利用して、物質の電子状態が調べられている。

論文タイトル

“Visualizing the mixed bonding properties of liquid boron with high-resolution x-ray Compton scattering”
(高分解能X線コンプトン散乱測定による液体ボロン中の結合状態の可視化)

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