はじめよう固体の科学

電池、磁石、半導体など固体にまつわる話をします

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物質

チタン酸ストロンチウム (SrTiO3): 酸化物における万能の天才

SrTiO3は、誘電体からはじまり、超伝導体、熱電材料、触媒、イオン伝導体、半導体、発光材料分野で姿を見かけ、他の物質を形成するための基板としても抜群の有用性を誇ります.

Bond valence sum の計算方法 【メモ】

酸化数の割当が、少なくとも過去に報告された類似の物質と比べておかしな値になっていないかを判断する手法の一つがBond valence sum (BVS)法です.

最密充填と結晶構造:複雑な構造をシンプルに理解する

結晶構造はいたずらに複雑にはなりません.一見して複雑な構造であっても、部分部分をよく見れば、必ずシンプルな結晶構造から組み立てることができるようになっています

準結晶:世界を覆した「第三の固体」

「準結晶」.一見では結晶のように見えるのだけれど、結晶であるはずのない奇妙な物質です.準結晶をめぐって高名な科学者が争い、結晶学会は固体の定義の見直しを迫られ、発見者はノーベル賞を受賞しました.

リチウムイオン伝導体:全固体電池を実現するための材料

ところが、近年の材料探索の進展にともなって、液体と同等あるいはそれ以上のイオン伝導度を示す固体物質が開発されてきました.中でもリチウムイオン電池に用いるリチウムイオン伝導体の進化は著しく、報告された物質の種類も多岐にわたります.しかし、全…

酸化銅(CuO, Cu2O...):錆びた銅の使い道は

鉄とは異なり、銅は錆びにくい金属です.それでも、屋外に出しておけば酸化し、錆(酸化銅)ができることがあります.銅が酸化して形成された酸化銅は、元の銅とは色も性質も全く異なります.

インターカレーション:物質に新しい機能を加える反応

インターカレーションは、物質の結晶構造に存在する「すき間」にイオンや分子を入れ込むような反応を指します.元の物質 の結晶学的特徴や材料特性を保ったまま、新しい特性を加えることが可能です.

多形:名前は同じ、でも別の物質

同じ組成を持ちながら異なる結晶構造を示す物質を総称して多形と呼びます.ほとんどの多形は互いによく似た見た目ですが、中には似ても似つかないものも存在します.

金はなぜ金色か

金は、他の金属では再現できない独特の輝きを持ちます.古来より王侯貴族を魅了してやまない黄金色はどのようにして生まれるのでしょうか.

非線形光学材料:物質を使って光の波長を操る

光と物質の相互作用には直線的(一次関数的)なものだけでなく、二次関数的、三次関数的な高次のものが含まれることが知られていました.高次の効果を利用することで波長の異なる光を取り出すことができます.

酸化鉄(FeO, Fe2O3, Fe3O4・・・):錆だけじゃない!様々な酸化鉄

錆だけが酸化鉄ではありません.鉄は磁石としての性質を持ち、その酸化物も磁石として振舞うことがあります.最古の磁石として有名なマグネタイトは、永久磁石だけでなく触媒材料としても活用されます.

層状複水酸化物(LDH):イオンの自在な操作と協奏

LDHはアニオンを容易に挿入、交換、脱離することができます.電極材料、光触媒、吸収剤、生体材料など用途は様々であり、学術的・産業的に数々の応用がされてきました.

超硬材料:「硬い」ために必要なことは

「硬い」ことは、それ自体に大きな意味を持ちます.人工的に数千万気圧級の圧力を実現しようとしたら、その環境に耐えられる硬さの材料が必要です.

共有結合、イオン結合、金属結合…:物質を作る様々な化学結合

原子と原子がつながることは自明ではありません.原子同士に働く引力による原子間のつながりを説明するためにいくつかのメカニズムが提唱・実証されており、それらは化学結合と総称されます.

XRD, XAS, XPS…:X線を利用した実験手法の一覧

様々な分析手法のうち、X線を用いて分析を行う手法をまとめました.XRD、XAS、XPS...様々な手法にはどのような違いがありますが、どのように使い分ければ良いでしょうか.

様々な結晶構造のまとめ

結晶構造には、その代表的な物質名や鉱物名から名前がつけられます.例えば、塩化ナトリウム型構造やペロブスカイト型構造は固体化学を代表する非常に有名な結晶構造です.新しい物質が発見されるにしたがって新しい結晶構造は増えていきますが、多くの物質…

テルミット反応:炎とともに起こる酸化還元反応

テルミット反応は、金属と金属酸化物の混合物(テルミット、サーマイト) を用いて、時に爆発的な発光と発熱を生みながら酸化還元を起こす化学反応です.

アモルファス(非晶質)と結晶:無秩序な秩序が生み出す可能性

原子がバラバラに固まり、規則的なパターンを示さないことがあります.液体のように原子の位置が揺らいでいるのではなく、その位置のパターンに規則性が無いのです.

格子定数:結晶構造を知る第一歩

結晶系に単位格子を加味して結晶構造を規定したのがブラべー格子であり、全ての結晶構造の基本となります.ここで結晶構造を規定するために用いた、繰り返し構造の軸長と軸角をまとめて格子定数を呼びます.

同素体:実は存在しなくても問題ない概念?

同じ種類の元素であっても同じものであるとは限りません.炭素原子そのものは全世界で共通ですが、炭素原子のみからなる単体であっても、互いに見た目も化学結合の様式も、構造も全く異なるものがあります.これを同素体と呼びます.

ベント則:VSEPR則の限界を超えて分子の形を予測する(2)

ベント則を利用して、実際の分子の形をどのように理解可能かを見ていきます.

ベント則:VSEPR則の限界を超えて分子の形を予測する(1)

VSEPR則は、原子軌道や対称性を考慮しておらず、孤立電子対と結合電子対の違いを説明することができません.これらの問題点を解消するため、代わって発達した理論が今回紹介するベント則です.

イルメナイト:コランダムとペロブスカイトをつなぐもの

イルメナイトとはチタンと鉄を含む鉱物の一種であり、金属チタン(Ti)や二酸化チタン(TiO2)の主要な原料として幅広く活用されています.

化学圧力:物理圧力とは異なる「化学的な圧力」の正体

化学圧力では、物質の組成や形態を制御する「化学的な手段」で物質内部に擬似的な圧力を与えます.物理圧力と違って高価な装置なしに簡便に実験が可能なほか、正・負の両方の圧力(物質の圧縮と膨張)をかけることが可能であり、物質を扱う広範な研究領域で…

窒化ガリウム(GaN):革新的な半導体

窒化ガリウムは電子の移動度が大きく、熱安定性が高く、エネルギー効率が高いなどのメリットを併せ持つため、電力変換などのパワーエレクトロニクス分野での利用が広がっています.

アナターゼ、ブルッカイト、ルチルの違い

酸化チタンには、いくつかの種類(多形)が知られています.結晶構造の違いに応じて、三種類の呼び名があり、それぞれアナターゼ、ブルッカイト、ルチルと呼ばれます.

CaAl2Si2型構造:熱電材料からトポロジカル磁性体まで

組成比が1:2:2の結晶構造として有名であるのがCaAl2Si2型構造です.伝統的に熱電材料として高い性能を示す物質が多く知られてきました.近年では、トポロジカル電子物性の舞台としても注目の結晶構造です.

ランタノイドとアクチノイド:周期表の縁の下の力持ち

周期表の最下部に佇む謎の元素たち.ランタノイドとアクチノイドと書かれてはいますが、それ以上の説明はなく、そのまま化学の授業は終わります.従来の化学教育では見過ごされがちですが、これらの元素には他の元素に負けないくらい有用で興味深い性質を示…

アルカリ金属、アルカリ土類金属、ハロゲン:周期表の族の様々な呼び名

「アルカリ金属」「アルカリ土類金属」「ハロゲン」など、特定の族を示す呼び名は多くあり、同一の族に属する元素群はいずれも似たような性質を示します.

遷移金属ダイカルコゲナイド:三次元と二次元の両方の側面を持つ物質

層状構造を活かし、近年、原子一層だけを取り出すことが可能な二次元材料として期待されている物質群が遷移金属ダイカルコゲナイドです.