鉄系の磁性複合ナノ粒子材料による次世代磁気冷媒物質の合成と評価

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14390034
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 山本 孝夫 大阪大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (00174798)
• 研究分担者: 沼澤 建則 文部科学省, 物質材料研究機構, 主任研究員 ; 中山 忠親 大阪大学, 産業科学研究所, 助手 (10324849) ; 中川 貴 大阪大学, 大学院・工学研究科, 助手 (70273589) ; 清野 智史 日本学術振興会, 特別研究員
• キーワード: 磁気熱量効果 / ナノ複合粒子 / 磁性材料 / 磁気エントロピー変化

研究概要

磁性体にかけた磁場を除くと降温する現象(磁気熱量効果)は磁気冷凍として極低温(30K以下)では実用化され、近年室温でも実証されたが、超伝導磁石の強磁場と希土類化合物の冷媒が必須だ。熱効率は本質的に高く冷凍エネルギーの節約や環境保全(脱フロン)の点で魅力的だ。しかし、超伝導(液体ヘリウム)が必要では4K以上での実用に無理があり、希土類の高価格は用途を大きく制限する。安価でリサイクル可能な鉄をナノ複合材料とし磁気冷媒にする目標のもとで、本計画は、10nm以下の平均粒度、狭い粒度分布、強磁性相と非磁性相がコア/シェル構造、のナノ材料を目指した。
管理した雰囲気の下でオクタン中で界面活性剤CTABで安定させた第二鉄イオンを含む微細液滴(逆ミセル)をNaBH_4で還元し、鉄ナノ磁性粒子をまず作り、金イオンを加えさらに還元を進め複合ナノ粒子合成をめざした。5nm前後の平均粒径を持ち、狭い粒度分布(幾何学標準偏差で1.3以下)の金と鉄の複合粒子を得た。複合粒子化の確認は、ICP化学分析による金鉄の共存、XRDとXANESを併用した金属金とFe_3O_4相の確認、さらには磁気分離操作後の金プラズモンの吸光度測定、等の結果を組み合わせて行った。さらに、磁化測定データの解析から磁性粒子の平均磁気モーメントサイズを評価し、TEM観察による複合粒子サイズと比較検討した結果、コア/シェル構造を強く示唆する結果を得た。磁化から磁気熱量効果の指標である磁気エントロピー変化ΔSを評価した結果、粒度分布の狭いほどナノ構造によるΔSは増大し、理論的な予想と一致した。またこの複合ナノ粒子の重量あたりのΔSは従来、気相合成法で我々が得た値より一桁近く大きな値となった。

研究成果

• [文献書誌] T.Kinoshita, S.Seino, K.Okitsu, T.Nakayama, T.Nakagawa, T.A.Yamamoto: "Magnetic Evaluation of Nanostructure of Gold-Iron Composite Particle Synthesized by Reverse Micelle Method"Journal of Alloys and Compounds. (印刷中). (2003)
• [文献書誌] T.A.Yamamoto, M.Tanaka, Y.Misaka, T.Nakagawa, T.Nakayama, K.Niihara, T.Numazawa: "Dependence of the Magnetocaloric Effect in Superparamagnetic Nanocomposites on the Distribution of Magnetic Moment Size"Scripta Materialia. 46. 89-94 (2002)
• [文献書誌] T.Nakagawa, M.Kano, K.Nishimaki, Takao A.Yamamoto, S.Emura: "Size effect on x-ray absorption spectra of iron nitride nano particle"Proc. the 6th Int. Conf. On Nanostructured Materials, June 16-21, Orland, Florida. (印刷中). (2003)
• [文献書誌] S.Seino, T.Kinoshita, H.Maruyama, T.Nakagawa, T.Nakayama^*, K.Okitsu, T.A.Yamamoto: "Magnetic Nanocomposite Composed of Iron and Gold Synthesized by the Reversed Micelle Method"Proc. the 6th Int. Conf. On Nanostructured Materials, June 16-21, Orland, Florida. (印刷中). (2003)