大学院理工学研究科の山田幾也助教、高橋亮治教授、松下正史講師、地球深部ダイナミクス研究センターの西山宣正准教授、井上徹教授、入舩徹男教授らは、氷点以下で負の熱膨張を示す新物質の合成に成功しました。
通常の物質は、温度を上げると膨張し、温度を下げると縮む熱膨張（正の熱膨張）という性質を持っています。熱膨張は、熱湯を入れたガラスのコップが割れるように、材料が破壊される原因となります。熱膨張率をほぼゼロまで小さくした材料を開発することで、この問題を解決できると期待されています。そこで、正の熱膨張とは反対に、温度を上げると縮み、温度を下げると膨張する「負の熱膨張」の性質を持つ物質を開発し（図1）、正の熱膨張の物質と組み合わせることで、熱膨張率が起こらないゼロ熱膨張の材料を開発することが試みられています。しかし、大きな負の熱膨張を示す物質は限られているため、新しい負の熱膨張物質の開発が望まれていました。
山田助教らは今回、15万気圧?1000℃という超高圧?高温条件を用いた超高圧合成法によって、複合ペロブスカイトと呼ばれる構造を持つ新しい鉄の酸化物SrCu3Fe4O12（図2）の合成に成功しました。大型放射光施設SPring?8の高輝度Ｘ線を用いた結晶構造解析により、この物質は氷点以下で大きな負の熱膨張を示すことを発見しました（図3）。鉄の化合物で、負の熱膨張を示す物質は初めてです。また、この物質における負の熱膨張は、ストロンチウムサイトの状態が関与する銅?鉄間の電子のやり取りが原因となって起こり、これまでに知られていた負の熱膨張のメカニズムとは異なるものであることが分かりました。
近年の高度に緻密化された機械や材料などは熱膨張による故障?破損が深刻な問題となっていますが、今回発見された新しい負の熱膨張のメカニズムを利用することで、将来的にはゼロ熱膨張材料として、精密部品?機械の開発に役立つものと期待されます。
本研究成果は、ドイツの科学誌「Angewandte Chemie International Edition（応用化学誌 国際版）」のオンライン速報版で近日中に公開されます。
本研究は、東京大学、京都大学、高輝度光科学研究センター、理化学研究所と共同で行われました。
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- 図1 正の熱膨張と負の熱膨張の概念図
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図2 SRCu3Fe4O12の結晶構造
（Srを緑、Cuを赤、Feを茶、Oを青の球で表している）
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図3 SrCu3Fe4O12の体積の温度変化
（室温の体積を基準（=1）としている）
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- 山田助教
＜広報室＞