新たな合金構造の形成における原子拡散の重要性を探る研究

京都大学の研究グループが、非相溶元素間の原子拡散がZ3型合金構造形成に及ぼす影響を解明しました。この研究は、未踏材料の探索に関する重要な手がかりを提供するものです。

研究背景

複数の金属元素からなる合金の性質は、結晶構造に大きく左右されます。このため、新しい物性や機能性を持つ材料を発見する方法として、まだ解明されていない結晶構造の安定化に注目が集まっています。これまでも多くの準安定相の形成が報告されてきましたが、未踏構造の探索はほとんど行われていません。そこで、研究チームは新たに合成したZ3型合金の形成メカニズムを解明し、未踏構造の探索への道を開くことを目指しました。

研究手法

Z3型合金相の形成に不可欠な原子拡散過程を明らかにするために、チームは2種類のナノ粒子を用いて実験を行いました。

1. FePd3合金へのIn拡散（FePd3:Inナノ粒子）
2. PdInx合金相へのFe拡散（PdInx:Feナノ粒子）

これらのナノ粒子に還元熱処理を施し、Z3型合金の形成温度に違いがあるかどうかを検証しました。

結果

結果として、FePd3:Inナノ粒子は873Kで合金相を形成したのに対し、PdInx:Feナノ粒子は773Kで形成されることが分かりました。この温度差の背後には、FeとInという非相溶な元素ペアの相互作用があることがわかりました。

原子レベルでの分析により、FeとInの隣接の有無がZ3型合金の成立に大きく影響することが確認されました。FeとInが隣接していると、構造が不安定化し、原子の拡散の活性化障壁が高まることがわかったのです。

意義

この研究成果は、未踏合金相の探索において、原子拡散過程を制御することが重要であることを示唆しています。多様な元素の組み合わせで非相溶元素ペアを含む未踏合金の創造に貢献すると期待されます。

今後はこの知見をもとに、様々な未踏合金相の形成に挑戦することで、元素間相溶性を駆動力とした合金の安定化に関する新たな学問を構築していく予定です。

研究の背景と今後の展望

金属合金の化学的・物理的特性の向上を図る研究は依然として挑戦的ですが、今回の成果は非相溶元素を含む合金ナノ粒子の合成によって未踏合金相を見出す可能性を示しました。前進を促すものであり、多元系金属合金の研究が今後どのように進展するかに大いに期待が寄せられています。

この研究は、JSTのCRESTプロジェクト及び文部科学省の各種助成を受けて進められました。興味のある方はぜひお問い合わせください。