研究課題別中間評価結果

１．研究課題名

合金クラスター集合体の極限構造・磁性制御

２．研究代表者名

隅山　兼治　（名古屋工業大学　材料工学科　教授）

３．研究概要

　材料の素機能単位に匹敵するナノサイズのクラスターからの物質創製をめざす。具体的には、サイズの揃ったクラスターを大量合成する気相法およびコロイド法を確立し、それらを用いて作製した金属・合金や酸化物・半導体クラスターとその集合体における特有の非平衡構造や特異な機能性を探索する。また、クラスター形成過程のシミュレーションや構造・物性に関する理論的な解釈を行なう。これらの結果を総合してクラスター集合体の新機能材料への応用の可能性を検討する。

４．中間評価結果

４−１．研究の進捗状況と今後の見込み

　超微粒子ならびにその集合体(クラスター)は学問上・応用上の魅力に富む未開拓の分野であり、将来のため製造法や物性特性等に関して研究を充実しておく必要がある。当研究チームの目標は、金属・合金および半導体・酸化物を対象に、1)大きさの揃ったナノメートルサイズのクラスターの量的製造法の開発、2)特異な機能性を有するクラスター集合体の創製、3)新機能材料の探索と他分野への応用の探索である。当研究チームは金属・合金クラスターグループ、半導体・酸化物クラスターグループ、理論計算グループから成る。相互の協力の下にナノクラスターの創製法開発、クラスターサイズの均一化、クラスターの新奇物性の探索等に本格的に取り組み、これまでに多くの成果を挙げており、この分野において先導的な役割を演じている。

　残りの期間は応用面に重点を移して行き、クラスターのランダム或いは規則的配列と集合化、新機能を持つ材料の発掘、他分野への応用の探索に力を入れる。

４−２．研究成果の現状と今後の見込み

　研究目標の１つが金属・合金および半導体・酸化物のクラスターサイズ均一化であり、これはかなりの成功を見た。金属・合金クラスターでは平均サイズ2〜15nmの範囲でサイズ幅10%以下、半導体・酸化物では平均サイズ1.3nmのCeO2のサイズ幅3%のクラスターを得ている。新機能探索ではCo粒子の表面を意図的に酸化させたCo/CoOクラスターが持つ強い一軸的磁気異方性および低温(70K)におけるクーロンブロッケード効果の発見があり、新現象としてはSTMによる微粒子からのトンネル発光現象の発見、レーザー蒸発法で作製した微小遷移金属クラスターあるいは遷移金属酸化物クラスターにおけるマジック数(決まった構成原子数7,13,15, ･･･)の発見と理論的解明がある。

　実用上の発見では紫外線照射下の硫黄化合物水溶液中におけるナノ微粒子の触媒作用による高効率水素発生がある。これは予想外の新たな展開で、エネルギー変換率は約10%に達し、工業上の有望性に関して検討中である。実用化されれば化学工場において排出される含硫黄廃棄物を水溶液の形にして水素製造することが可能となり、公害低減化と水素エネルギー獲得の一石二鳥になる。このほか金属・合金クラスター、半導体・酸化物クラスターの新奇物性の探索でこれまでに種々の発見があり、今後は新機能材料の探索と他分野への応用の探索に重点を移して行くことから、新たな発見や発明が期待できる。

４−３．総合的評価

　学問上、実用上の未開拓分野として ナノメートルサイズの金属、非金属クラスターが持つ魅力は大きく、次世代科学技術の基盤形成のため本格的に取り組むべき研究対象である。ナノサイズクラスターの大きさの均一化、およびランダム或いは規則的配列化は非常に難しい課題ながら避けて通れぬ関門で、本研究チームは果敢にそれに立ち向かっており、また新奇物性の探索を精力的に行なっている。開拓が難しい分野ゆえに学問上・実用上の過大な成果を即ぐに期待することはできないが、ナノクラスター学とも言うべき分野で本研究の成した草分けの業績・成果が将来高く評価されることは確かな処であろう。