新たな水素吸蔵材料の発見による負熱膨張現象の可能性

水素吸蔵材料における負熱膨張の新発見

私たちの周りの物質は、通常、温度が上がると膨張し、逆に温度が下がると収縮する特性を持っています。この現象は "正の熱膨張 "と呼ばれ、金属やプラスチックなど様々な材料に見られます。一方、温度が上昇すると収縮する性質を持つ材料もあり、これを "負熱膨張材料 "といいます。そんな中、東京都立大学の水口佳一准教授と渡邊雄翔大学院生（日本学術振興会特別研究員DC1）らから成る研究チームが新たな負熱膨張材料の発見に成功しました。

新たに発見された材料

研究チームは、遷移金属ジルコナイドの水素化物である "CoZr2H3.49 "が、特定の条件下で負熱膨張を示すことを突き止めました。具体的に言うと、この材料はキュリー温度（139 K）よりも低い温度域で、特にc軸方向で負熱膨張を示します。これにより、CoZr2H3.49は強磁性体に変わる可能性を持つことが確認されました。

CoZr2の特性

従来のCoZr2は、約6Kで超伝導転移温度を示し、広範な温度範囲でc軸方向に負熱膨張することがわかっていますが、この特性が水素を吸蔵した場合にどのように変化するかは疑問でした。本研究では、水素を吸蔵したCoZr2H3.49に着目し、強磁性範囲におけるc軸負熱膨張現象を観測に成功しました。

熱膨張のメカニズム

この特殊な負熱膨張は、従来の水素を含まないCoZr2の原子の振動によって駆動される現象とは異なり、CoZr2H3.49のc軸負熱膨張はキュリー温度以下という限られた温度域でのみ実現することから、物質の電子状態の変化、すなわち強磁性転移によって引き起こされることがわかりました。

研究の意義

現代産業においては、電子デバイスの高性能化やコンパクト化が進んでいます。そのため、材料の熱膨張係数の制御が重要視されており、特に異なる材料間での熱膨張のバランスをとるためには、負熱膨張材料が必要です。今後、研究チームは水素量を変化させることでc軸方向の線熱膨張係数の最適化や、a軸方向の制御も実現し、単一物質によるゼロ熱膨張材料の開発を目指しています。