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

2003 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: 清野 智史 日本学術振興会, 特別研究員 ; 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)
• キーワード: 磁気熱量効果 / 鉄酸化物 / ナノ粒子 / 磁気エントロピー / 逆ミセル法 / 放射線

研究概要

鉄酸化物を金でコーティングした複合ナノ粒子材料を逆ミセル法で合成し、外径が10nm以下で粒度分布が比較的狭い(幾何学的標準偏差で1.3以下)粒子材料を再現性良く合成する技術を確立した。粒子の内部構造を、TEM、ICP化学分析、磁化測定、X線吸収微細構造解析、紫外可視分光、などによって詳細に検討し、内部がマグネタイト(Fe_3O_4)で外部が金である、いわゆるコアシェル構造と判定した。コアシェル構造により磁気粒子間の良好な磁気的アイソレーションが実現されているため、原子比で半分以上の鉄を含みながら、100K程度まで超常磁性を保つことが判明した。この特徴は磁気モーメント密度の上昇の観点から磁性代磁気冷媒として非常に望ましい。この粒子材料の磁気熱量効果を、詳細な磁化測定から磁気エントロピー変化ΔSを計算することで評価したところ、従来我々が報告してきたγ-Fe_2O_3と銀のナノ材料よりも単位重量あたりで数倍の向上が認められた。さらに、粒度分布が狭い方がΔSが増大することが認められ、我々の理論的予想を検証するデータが得られた。しかし、液体窒素温度や永久磁石の磁場で運転できる磁気冷媒としては未だに一桁能力不足である。
同様のコアシェル構造の複合ナノ粒子材料の合成収量の増大を図る技術を探索したところ、放射線によって金イオンを水溶液中で還元し、その場で酸化鉄粒子表面に付着させる独自技術を着想し確立した。直ちに特許出願を行った。現在、完全なコアシェル構造には至っていないが、20nm級の酸化鉄粒子表面に5nm級の金粒子を多数貼り付け、下地が光学的視野から隠される程度まで進んでいる。この方法によれば実験室規模でも一日にグラム単位の材料が合成可能で、逆ミセル法より桁違いに多い収量が得られることが判った。
磁気熱量効果を追求する材料としては、希土類窒化物が従来報告されているΔSを遥かに凌ぐ材料であることを発見し、直ちに特許出願した。

研究成果

• [文献書誌] Yoshiteru Mizukoshi, Satoshi Seino, Kenji Okitsu, Takuya Kinoshita, Yohei Otome, Takashi N: "Sonochemical Preparation of Composite Nanoparticles of Au/γ-Fe_2O_3 and Magnetic Separation of Glutathione"Ultrasonics Sonochemistry. (in press). (2004)
• [文献書誌] Takao A.Yamamoto, Takashi Nakagawa, Kengo Sako, Takayuki Arakawa, Hiroaki Nitani: "Magnetocaloric effect of rare earth mono-nitrides, TbN and HoN"J.Alloys & Comp.. (in press). (2004)
• [文献書誌] T.Kinoshita, S.Seino, H.Maruyama, T.Nakayama, K.Niihara, T.Nakagawa, T.A.Yamamoto: "Influence of size distribution on the magnetocaloric effect of the superparamagnetic nanocomposite of Fe_3O_4/Au"J.Alloys & Comp.. 365. 281-285 (2004)
• [文献書誌] Takashi Nakagawa, Kengo Sako, Takayuki Arakawa, Takao A.Yamamoto: "Magnetocaloric effect of mono-nitride containing gadolinium and dysprosium Gd_xD_<1-x> N"J.Alloys & Comp.. 364/1-2. 53-58 (2004)
• [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"J.Alloys & Comp.. 359/1-2. 46-50 (2003)
• [文献書誌] S.Seino, T.Kinoshita, Y.Otome, K.Okitsu, T.Nakagawa, T.A.Yamamoto: "Magnetic Composite Nanoparticles of Au/γ-Fe_2O_3 Synthesized by γ-ray Irradiation"Chemistry Letters. 32(8). 690-691 (2003)