2022 Fiscal Year Annual Research Report
Advanced Structural Analysis for Supra-ceramics
| Project Area | Supra-ceramics: Molecule-driven frontier of inorganic materials |
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| Project/Area Number |
22H05145
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| Research Institution | Kindai University |
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Principal Investigator |
杉本 邦久 近畿大学, 理工学部, 教授 (00512807)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
木内 久雄 東京大学, 物性研究所, 助教 (50818557)
南部 雄亮 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (60579803)
稲田 幹 九州大学, 中央分析センター(筑紫地区), 准教授 (40624979)
木本 浩司 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 先端材料解析研究拠点, 拠点長 (90354399)
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| Project Period (FY) |
2022-06-16 – 2027-03-31
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| Keywords | 超セラミックス / 高度構造解析 / 共鳴非弾性X線散乱 / 中性子散乱 / 電子顕微鏡 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、先端計測による構造解析法を精鋭化することにより超セラミックスの巨視的及び局所的構造だけでなく動的構造を完全理解し、一気通貫で超セラミックスの創出から機能発現の全体像の解明することを目的としている。巨視的・局所的評価を主眼とした構造解析については、放射光と中性子を活用した精度の高いデータに基づいた解析の基盤の構築を推進した。放射光では、波動関数に基づいた構造モデルを用いた量子結晶学による軌道観察により、コバルト多核錯体の磁性を評価する上で重要な量子化軸の可視化に成功した。また中性子では、α-FeOOHに対して群論に基づく磁気空間群の解析を行うことにより磁気構造を決定し、さらに水素原子の位置は、重水素化及び構造精密化における束縛をかけることなく、結晶構造を精度良く決定することに成功した。さらに、化学結合状態の解析については、メソポーラスシリカチタニアに水蒸気吸着を行った結果から算出した吸着熱の変化により、水分子が凝縮するよりも表面に吸着した方が安定であることを確認し、超セラミックスの新規物質の表面特性の評価への道筋をつけることができた。また、走査透過電子顕微鏡(STEM)を用いたSrGaOの様々な方位から原子配列を直接観察することにより。回折実験では判断が困難な鏡映対称の有無を明らかにし、K2LaTa2O6Nについては、非常に壊れやすく計測に試行錯誤が必要であったが、TaとPtの有無をSTEMとエネルギー分散型X線分光法を使ってマッピングにより解明した。超高分解能共鳴非弾性X線散乱においては、現在、国内に分子振動が見分けられるような高いエネルギー分解能を有する装置が存在しないため、先行して開発が進められている海外の放射光施設を利用しつつ、それぞれの装置の利点と欠点を把握することにより、軽元素の可視化に最適化された超高分解能共鳴非弾性X線散乱の装置設計に目処をつけることができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本課題を達成するために、放射光X線を用いた回折だけでなく、共鳴非弾性X線散乱、中性子散乱、電子顕微鏡、核磁気共鳴、ラマン散乱等の先端計測手法を協奏的に最大限活用し、合成プロセスや動作時のその場観察構造計測により超セラミックスの全体像の解明に挑戦した。本年度は、以下の研究計画の課題について取り組んだ。
・巨視的・局所的評価を主眼とした構造解析について放射光及び中性子施設を活用し、相補的な構造解析の基盤の構築を推進
・超高分解能共鳴非弾性X線散乱による化学状態解析を構築するため、2024年より共用開始予定の東北放射光に最適化された光学素子を含む装置の開発を推進
・反応・機能その場観察による超セラミックスの可視化を実現するため、分子ユニットの配位環境、原子配列秩序、化学結合状態の解析における巨視的・局所的な構造評価との複合解析の基盤の構築を推進
いずれの研究計画の課題においても、B01班内だけでなく、領域内の合成班と機能班の研究者と連携することによって、実践的に超セラミックスの合成、機能の理解するための基盤の構築が順調に進んでいる。以上のことから、本研究計画全体としては、おおむね順調に進展していると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
新規物質群の機能発現の起源を知るためには、直接的な物質理解の基盤となる結晶構造、組成、形態、化学状態等の巨視的・局所的構造と動的構造を正確に引き出すことが鍵である。本計画研究では、先端計測を駆使した様々な高度構造解析手法を適用することにより、従来のセラミックスでは予想だにしない超セラミックスの新しい化学状態・形態を解明するとともに、その場計測手法による動作機構を解明する役割を果たすことがミッションである。今年度は引き続き領域内の共同研究を加速化し、実践的に超セラミックスの合成、機能の理解するための基盤の構築を推進していく。巨視的・局所的評価を主眼とした構造解析については、放射光及び中性子施設を相補的に活用した基盤技術の開発を継続して行う。超高分解能共鳴非弾性X線散乱による化学状態解析については、海外の放射光施設に既設装置群のメリット、デメリットを注意深く把握し、ナノテラスに最適化された光学素子を含む装置の開発を継続して推進する。反応・機能その場観察による超セラミックスの可視化については、分子ユニットの配位環境、原子配列秩序、化学結合状態の解析、組成状態解析、微細構造解析を連携させることにより巨視的・局所的な構造評価との複合解析の基盤の構築を継続して行う。また、理論班及び新たに参画した公募班と連携することにより、合成可能性の予測や動的な物性発現予測を視野に入れた、マテリアルズ・インフォマティクスの実現についても引き続き検討を行い手法の構築を目指す。
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