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東大、添加元素(鼻薬)が形成する特殊な粒界構造とその役割を原子レベルで解明

発表日:2022年09月15日

セラミックスの作製法に新たな指針

——添加元素(鼻薬)が形成する特殊な粒界構造とその役割を原子レベルで解明——

1.発表者

幾原 雄一(東京大学 大学院工学系研究科附属総合研究機構 教授)

柴田 直哉(東京大学 大学院工学系研究科附属総合研究機構 教授)

石川 亮(東京大学 大学院工学系研究科附属総合研究機構 特任准教授)

二塚 敏洋(東京大学 大学院工学系研究科附属総合研究機構 博士課程)

2.発表のポイント:

◆ 原子分解能を有する最先端走査透過型電子顕微鏡STEMと第一原理計算を併用し、価数の異なる複数元素の添加によるセラミックス粒界の構造変化とその役割を原子レベルで明らかにしました。

◆ 価数の異なる複数元素の組み合わせにより、添加元素によるサイズ効果とクーロン反発(電気的な相互作用)のバランスを最適化し、新たな粒界原子構造の形成が明らかになりました。

◆ 今回提案した価数の異なる複数元素の添加により、添加元素の選択幅が広がり、「粒界構造制御」に立脚した新規高機能セラミックス材料創成に向けた展開が期待されます。

3.発表概要:

東京大学大学院工学系研究科附属総合研究機構の幾原雄一教授、柴田直哉教授、石川亮特任准教授、および二塚敏洋大学院生のグループは、最先端の走査透過型電子顕微鏡(STEM)法(注1)と第一原理計算(注2)を併用し、微量添加した価数の異なる元素が粒界で規則的に配列し、新たな粒界構造へ転移(構造が変化すること)する起源を原子レベルで初めて明らかにしました。α-Al2O3(アルミナ)セラミックスは耐熱部材、電子回路の基板、碍子、触媒などに広く用いられている代表的な構造用セラミックスですが、その材料強度や機能特性などのマクロな物性は、結晶粒子の接合界面である結晶粒界(注3)の原子構造に支配されています。これらの物性は、微量の添加元素(現場では鼻薬と言われている)により大きく変化しますが、その原因は粒界に偏析(添加元素が粒界に集まること)した添加元素により誘発される構造転移と関係していることが指摘されてきました。しかし、結晶粒界における複数の添加元素を識別し、その原子配列を決定することは困難であり、添加元素と粒界構造の関係性はこれまで不明でした。本研究では、原子分解能を有するSTEMを用いた元素種まで含む原子配列の直接観察法と粒界構造の安定性を理論的に評価する第一原理計算を組み合わせることにより、アルミナに微量添加したCaとSiの2種類の価数の異なる元素(Caは2価、Siは4価)が3次元的に規則配列した複雑な粒界原子構造を形成していることを初めて明らかにしました。このような規則構造が発見されたことにより、複数の添加元素を組み合わせることで、粒界の原子配列を自在に制御できる可能性が示唆され、「粒界構造制御」に立脚した高性能セラミックス材料の創成が期待されます。

本研究成果は、2022年9月15日(英国夏時間)に英国科学誌「Nature Communications」のオンライン版に掲載されます。

※以下は添付リリースを参照

リリース本文中の「関連資料」は、こちらのURLからご覧ください。

添付リリース

https://release.nikkei.co.jp/attach/640118/01_202209131440.pdf

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