劃時代的納米合金晶結構控制法

日本京都大學研究生院理學研究科特聘助教草田康平及教授北川宏等人組成的研發小組與九州大學研究生院工學研究院教授松村晶及日本高輝度光科學研究中心（JASRI）合作，成功開發出了具有劃時代意義的納米合金結構控制方法。本成果有望用於研發創新材料。

納米材料以10^-9米（納米）級精度進行控制，是新一代產業的基礎技術，從家電產品、化妝品等日用品，到化工廠使用的催化劑等工業用途，納米材料在眾多領域的應用備受期待。對於其中可作為磁性體、催化劑和光學材料等的納米合金材料，目前更是展開了廣泛研究。

設計納米合金材料時，以金屬元素的種類、組成、顆粒尺寸及形狀等為主要設計準則，而晶體結構主要由金屬元素的種類和組成決定，因此過去一直認為是無法控制的。

此次的研究靈活利用普通的納米合金顆粒合成方法——化學還原法

【注1】

的特點，在組合使用金（Au）和釕（Ru）實施固溶體納米合金合成時，成功製作了面心立方晶格（fcc）結構和六方最密堆積（hcp）結構的固溶體納米合金（圖）。此次的成果表明，在納米合金材料的設計中，晶體結構也能成為新的設計準則。

此次開發的方法顯示出了將以前無法自由控制的性質作為新設計方法利用的可能性，另外還有望應用於其他類型的合金。以前廣泛用於工業用途的納米合金材料也可以不再受限於塊體（Bulk）

【注2】

的合金狀態圖

【注

3】

，只需研究合成方法就可以控制晶體結構，有望提高催化劑性能等，也有望克服現有材料的缺點。

本次研究成果於2018年2月6日發表在了英文雜誌《自然通訊》（Nature Communications）上。

◆ 研究方法及成果

為了控制納米合金顆粒的晶體結構，本研究著眼於普通的金屬納米顆粒合成方法——化學還原法的特點。化學還原法是在抑制粒徑增長的聚合物等保護劑之下，利用還原劑將金屬前驅體（金屬離子）還原成原子，並使其進行自組裝，由此獲得納米顆粒的合成方法。因此，通過控制還原金屬前驅體的時機等，能合成多種類型的金屬納米顆粒。

該研發小組以前利用這種化學還原法，通過組合在塊體狀態下未混合的金屬，開發出了在原子水平上混合（固溶體）的納米合金顆粒等，但要想合成合金，必須同時還原作為構成元素的前驅體。本研究通過在還原時機上形成微小的差異，實現了在形成合金的同時，控制其晶體結構。

合金構成元素的原始晶體結構不同時（例如一種金屬為fcc結構，另一種金屬為hcp結構等），納米合金顆粒的晶體結構會在晶核的結構控制下生長。因此，研究小組預測，在形成合金的過程中是由稍早開始還原的金屬控制晶體結構，並利用hcp結構的釕（Ru）和fcc結構的金（Au）進行了驗證。通過改變金屬前驅體的種類和反應條件，並精確控制Ru離子與Au離子保持不同的還原速度，成功地以相同的構成分別製作了hcp結構和fcc結構的固溶體合金。

納米合金晶體的結構已通過原子解析度掃描透射電子顯微鏡及大型同步輻射設施SPring-8

【注

4】

編號為BL02B2的同步輻射粉末X射線衍射

【注

5】

實驗確認，合金形成機制則通過紫外可見光譜及電化學實驗查明。此前並沒有類似本研究的晶體結構控制報告，這項研究顯示出了將以前無法自由控制的性質作為新設計方法利用的可能性。

◆ 參考圖

圖/晶體結構的選擇性控制

【注1】

化學還原法
利用還原劑將金屬前驅體中的金屬離子還原成原子，利用保護劑抑制顆粒隨著原子的自組裝變大的過程，從而獲得納米級顆粒的方法。

【注2】

塊體
大顆粒物質。市售的金屬粉末等一般均為塊體狀態。

【注3】

狀態圖
表示物質系統的狀態如何根據狀態變數發生變化的圖。狀態變數包括溫度、壓力和密度，多成分系統除這些外還包括成分比等。

【注4】

大型同步輻射設施SPring-8
日本理化學研究所的設施，位於兵庫縣播磨科學花園城，能產生全球最高性能的同步輻射光源，設施的運行和用戶支持由日本高輝度光科學研究中心（JASRI）負責。同步輻射是指，將電子加速至與光基本相同的速度，利用電磁鐵彎轉電子的行進方向時產生的細而強的電磁波。SPring-8利用這種同步輻射開展納米技術、生物技術及產業應用等廣泛研究。

【注5】

粉末X射線衍射
向粉末照射X射線，則可觀察到與構成晶體的原子和分子的有序排列相對應的衍射現象（衍射圖案）。通過分析衍射圖案，能查明原子和分子在晶體中是如何排列的。

文/客觀日本編輯部  圖/2月6日新聞稿

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