"イオンのビリヤード"で新材料の開発へ - 北大、新たな物質合成技術を確立

北海道大学(北大)は、イオンの玉突き現象を利用した新たな物質合成の技術「プロトン駆動イオン導入法」を確立したと発表した。研究グループは、今後、同手法を利用することで、新規物質や未知の機能をもつ物質の発見が加速していくことが期待されると説明している。

同成果は、同大 電子科学研究所附属グリーンナノテクノロジー研究センターの藤岡正弥 助教、西井準治 教授らの研究グループによるもの。詳細は、米国科学誌「Journal of the American Chemical Society(JACS)」(オンライン版)に掲載された。

従来、イオンの挿入やイオンの交換では、液体中にイオンを溶かす溶液プロセスが用いられてきた。しかし、このプロセスでは、溶媒がホスト物質に侵入してしまうことや均質にイオン導入させるのが困難であること、液体中での使用に制限がある物質があることなど、さまざまな問題があった。

今回発表されたプロトン駆動イオン導入法は、水素雰囲気中で発生させたプロトンを、"ビリヤード"のように次々とイオン源に打ち込み、飛び出してくる別イオンをホスト物質へと挿入、または含有イオンと入れ替える方法。同手法を用いることで、溶液を使わないイオン導入を実現できる。

同手法ではまず、水素雰囲気中で針状の電極に高電圧を加え、放電を起こすことで水素分子をプロトンに変換する。このプロトンは電界に沿って動き、所望のイオンを有するイオン源に打ち込まれる。プロトンは1価の電荷を持っているので、イオン源に1つ侵入すると、イオン源を電気的に中性に保つために、イオン源から1価の別のイオンが1つ飛び出す。このようにしてプロトンにより別のイオンを取り出し、それをナノレベルの隙間を持ったホスト物質へと導入することで、新しい物質や、準安定な物質を合成することができる。同研究ではアルカリ金属イオンを含有するリン酸塩ガラスや、CuI、AgIをイオン源として、Li+、Na+、K+、Cu+、Ag+などのイオンを、層状物質であるTaS2のナノ空間へ均質に挿入することに成功した。

研究グループは、このようなイオンの挿入・交換によって、ホスト物質との組み合わせにより無数の新規材料を生み出すことが期待されると説明している。また、現時点では、Li+、Na+、K+、Cu+、Ag+イオンが利用可能だが、これらのイオンが導入できるホスト物質はさらに存在し、今後利用可能となるイオンも増加することが見込まれるとのことだ。

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