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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物質群

酸化物、窒化物、水酸化物、水素化物、ハロゲン化物: イオン性物質の数々

イオン結合性の物質は、構成する陰イオンの種類によって分類されます.酸化物イオンを含む酸化物、フッ化物イオンを含むフッ化物、水素化物イオンを含む水素化物など.これらはどのような特徴を持つでしょうか.

宝石の結晶構造を見てみよう

一般に特別なものとして扱われる宝石ですが、その正体は鉱物であり結晶です.マクロな大きさの宝石は美しいですが、ミクロな大きさの結晶もなかなかきれいな構造をしています.

アパタイト:生体から地球の中まで

アパタイトは、歯や骨の原料からイオン伝導体、触媒、イオン交換材料まで多様な用途を持ちます.これらの特性は、アパタイトを構成するイオンが他のイオンと入れ替わりやすいことに起因することが多いようです.

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.

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.

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.

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.

マグネタイト(Fe3O4, 磁鉄鉱):最古の磁石の結晶構造と機能

人類にはじめて見出されたとされる磁石がマグネタイト(磁鉄鉱)です.マグネタイトはFe3O4 の組成を持ちます.組成中に鉄を豊富に含むことから、金属鉄の原料としても知られます.

コバルト酸リチウム(LiCoO2):リチウムイオン電池の代表的な正極材料

LiCoO2が特に優れている点は、高いLi+伝導度および電子伝導度、高いエネルギー密度、優れた可逆的な充放電特性を示すことです.発見から30年以上が経過してなおLiCoO2は携帯用バッテリーの正極材料として使われ続けています.

スクッテルダイト:原子の「隙間」を活かした物質

原子にとって自由に動き回れる程度に広い空間を持つ物質群の一つがスクッテルダイト(Skutterudite)です.元は天然鉱物に由来する物質群ですが、その特徴的な結晶構造・組成の豊富さから、現在では熱電材料、超伝導体、磁性体など様々な分野で顔を覗かせま…

水銀はなぜ液体か

なぜ水銀は液体なのでしょうか.水銀を初めて知った時に誰もが思い浮かぶ疑問ですが、答えはそれほど単純ではありません.原子や電子の世界にまで考えを及ぼすことではじめてその答えにたどり着きます.

銅酸化物以前に高温超伝導体の候補とされていた物質:CuClとCdS

銅酸化物よりも前、高温超伝導体の候補として最も有力視されていた材料が塩化銅 (CuCl)です.高温超伝導体であるかどうかも分からないまま、その後の銅酸化物の発見によって歴史の闇に埋もれてしまいました.

クラスレート:原子を包むカゴ型の物質

2種類以上の原子(または分子)が結晶を形成する際に、一方がホストとなって様々な多面体を含んだ三次元的な骨格構造を形成し、もう一方がゲストとしてその骨格に内包されたような結晶構造を持つ物質をクラスレート(Clathrate)と呼びます.ゲストは大きな…

ジントル相:イオン結合とも共有結合とも金属結合とも異なる物質たち

ケテラーの三角形のうち、イオン結合と金属結合に位置する領域にZintl相があります.Zintl相の化合物は、イオン結合と金属結合の中間的な性質を示し、イオン結晶にも金属にも分類できません.半導体的な電気伝導を示し、融点が高く、セラミックス(酸化物絶…

ラーベス相:単純な組成と多様な物性

Lavesは様々な金属間化合物の結晶学的関連性に関する重要な知見を発表しました.発見から100年近くが経ち、ラーベス相に属する物質は非常に多く発見され、優れた水素吸蔵特性、耐摩耗性、磁歪、磁気熱量効果を示すものがあり、実際に製品化されている材料も…

ホイスラー合金:何にでもなれる万能合金材料

ホイスラー合金と呼ばれる物質は、今日では1000種類を超える組成が報告されています.磁性材料、電子材料、熱電材料として注目される物質も多く、実用化もされています.多様な物性は価電子数という単純な概念によって整理されます.

ナノシート:原子を剥がして創る究極の二次元物質

ナノシートとは、ナノスケールかつシート状の物質を意味します.シート状(板状)であるため、厚さがナノメートル(nm)レベルかつ横方向の長さが厚さの数倍から数千倍の大きさを持ちます.ナノシートは究極の二次元材料であり、三次元材料とは大きく異なる…

二次元材料:原子一層分、究極の薄さをもつ材料たち

今世紀の偉大な発明として、ナノテクノロジー、情報技術、バイオテクノロジーなどが挙げられます.ナノテクノロジーの中でも2次元ナノ材料は、基礎的にも応用的にも大きな注目を集めています.二次元材料には有機物、生物由来、金属、セラミックスなどの種…

逆ペロブスカイト(アンチペロブスカイト):カチオンとアニオンが入れ替わったペロブスカイト

ABX3 の組成でA,Bがカチオン、Xがアニオンを担当するのがペロブスカイトなわけですが、逆ペロブスカイトではその役割が入れ替わります.すなわち、Na3OClのように、Xにカチオン種、A,Bにアニオン種が入ります.ペロブスカイトが多様な機能を示すことから予想…

窒化鉄:最強と謳われた幻の磁石

窒化鉄はあらゆる磁石の中で最大の磁力を示し、しかも非常に安価かつ資源的に豊富な鉄と窒素のみから構成されます.しかし、1972年の初報以来、実験の再現性に問題を抱えており、一時は幻の磁石と考えられていました.

二酸化チタン(TiO2):原点にして頂点の光触媒材料

1972年、酸化チタンと白金からなるセルに紫外光を照射すると、水が水素と酸素に分解される現象が報告されました.光触媒の仲間が増えてなお、TiO2は光触媒の代表として君臨しています.安価、安定、無毒であり、産業的に利用する上でのメリットが大きいです.

チタン酸バリウム(BaTiO3):驚異のチタバリと呼ばれた誘電体

チタン酸バリウムは代表的な誘電材料(電気を蓄える材料)であり、その優れた誘電性、強誘電性、圧電性により、セラミックコンデンサやサーミスタ、圧電素子など様々な用途に使用されています.

酸水素化物:水素アニオンを取り込んだ新しいセラミックス

一つの物質中に酸素アニオンと水素アニオンの両方のアニオンを含む物質が数多く知られ、酸水素化物と呼ばれます.安定な酸化物と不安定な水素化物を組み合わせた物質はどのような性質を示すのでしょうか.

グラフェン:世界一薄い究極の二次元材料

グラフェンは、炭素原子がハニカム状の二次元層を組んだ、原子一層分の厚みしか無い究極の二次元材料です.革新的な材料であるにも関わらず、黒鉛(グラファイト)をセロテープで剥がすという冗談のような方法で製造されました.

ハイエントロピー合金:全く新しい合金材料

これまでの合金はメインとなる元素を決めていましたが、ハイエントロピー合金では主役を定めず、複数の元素を比較的高濃度(多くは等濃度)で混合します.ハイエントロピー合金は、従来の合金よりも強度に優れるとされるほか、従来の合金では見られない様々…