二酸化炭素の吸着で磁石になる多孔質材料を開発 ～ガス吸着に伴う構造変化に起因する磁気相変換は世界初～

二酸化炭素の吸着で磁石になる多孔質材料を開発～ガス吸着に伴う構造変化に起因する磁気相変換は世界初～

2023年1月27日 11:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇金属材料研究所　教授　　宫坂等
　　　　　　　　准教授　高坂亘

【発表のポイント】

二酸化炭素の吸着により、磁石でない状态（反强磁性体^※1）から磁石(フェリ磁性体^※2)へと変换可能な层状多孔性材料の开発に成功しました。
二酸化炭素吸着に伴う层间距离^※3の伸长により、磁石层间の磁気相互作用が反転し、磁石へと変化することを明らかにしました。
ガス吸着に伴う构造変化のみに起因する磁気相変换は世界初であり、他の层状构造を持つ磁性材料への本机构の応用が期待されます。

【概要】

活性炭や珪藻土、シリカゲルなどの「多孔质材料」は、微细な大きさの空孔を持つ材料で、様々な物质を吸着しやすい性质を持ちます。この性质を活かして、日常生活では脱臭剤や乾燥剤などで身近に使われ、また工业的には物质の吸着?分离などで幅広く応用展开されています。

国立大学法人东北大学金属材料研究所の高坂亘准教授と宫坂等教授の研究グループは、近畿大学理工学部の杉本邦久教授および公益财団法人高辉度光科学研究センターの河口彰吾主干研究员との共同研究により、二酸化炭素の吸脱着で磁化の翱狈?翱贵贵が可能な多孔性材料の开発に成功し、その磁気相変换の机构が层状磁石の层间构造変化によることを明らかにしました。一般的なガス分子の吸着に伴う构造変化のみで磁気相を変换する磁石は初めての例です。

今回开発した材料は分子性多孔性材料^※4の一种で、磁石として机能する二次元层が连なった构造を持ち、その层の间にガス分子を出し入れできるのが特徴です。元々、この分子性多孔性材料は反强磁性体と呼ばれる磁気秩序^※5を示し、一般的な磁石としての性质^※6を示しませんが、二酸化炭素の吸着により磁石となる（磁石になる相転移温度は76 K）ことを確認しました^※7。逆にこの材料は、真空加热処理で二酸化炭素を脱离させることにより、元の反强磁性体へと戻ります。本现象は、二酸化炭素の吸着により化合物の层间距离が伸长し、それに伴い磁石层间の磁気相互作用が反転することで生じたものです。一般的にどこにでも存在するガス分子の吸着に伴う构造変化のみに起因する可逆磁気相変换はこれまで例はありません。磁気相転移温度はまだ低いですが、「构造変化」は従来の机构^※8に比べると単纯な机构であることから、层状构造を持つ他の磁性材料へ幅広く応用可能であり、これを利用した分子认识磁石センサーや分子応答磁気ジャンクション等、今后の発展が期待されます。

本研究成果は、2023年1月25日（現地時間）に、英国王立化学会誌「Chemical Science」に正式にオンライン掲載されました。

図　二酸化炭素（颁翱₂）の吸着で磁気相を変える分子多孔性材料

【用语解説】

※1　反强磁性体　
物质中の电子スピン间に磁気的な相互作用が働き、それが叁次元的に长距离に及ぶことにより磁石となります。一般的な磁石は通常、强磁性体、あるいはフェリ磁性体のどちらかです。磁石には磁気相転移温度^※15が存在し、それより高い温度领域では常磁性体^※16となります。しかし、隣接する電子スピン同士が逆方向を向く相互作用（反強磁性的相互作用）が働き互いに打ち消し合う場合には、物質全体としては磁化を持たず、通常の意味での磁石とはなりません。このような物質のことを反強磁性体といいます。反強磁性体にも磁気相転移温度が存在し、それより高い温度领域では常磁性体となります。

※2　フェリ磁性体　
隣接スピン同士が逆方向を向く相互作用が働いている场合でも、スピンの大きさが异なるため、その差分により物质全体としては磁石になる物质をフェリ磁性体と言います。

※3　层间距离　
ここで言う层间距离とは、结晶构造中の分子配向を考虑して、実际の层间距离を补正した値のことですが、今回の化合物の场合は补正前后で値に大きな差はありませんので、単纯に磁性层间の距离と考えて问题ありません。

※4　分子性多孔性材料　
ゼオライトや活性炭、シリカゲルのような無機物のみから構成される従来の多孔性材料に対して、金属イオンと有機配位子から構成される多孔性材料の総称です。金属?有機複合骨格（Metal?Organic Framework; MOF）や多孔性配位高分子（Porous Coordination Polymer; PCP）などと呼称されます。金属イオンの配位環境と有機物の持つ高い分子設計性に特徴があり、ナノサイズの細孔を利用した気体吸蔵?分離?触媒?センサーなどの分野での応用が期待されています。

※5　磁気秩序　
常磁性、强磁性、反强磁性、フェリ磁性をはじめとする様々な电子スピンの配列の様式（磁気秩序状态）を総称して磁気相といいます。常磁性は磁気秩序を持たない状态であり、强磁性、反强磁性、フェリ磁性は磁気秩序を持つ状态です。磁石として机能するのは、强磁性、フェリ磁性の磁気秩序状态であり、反强磁性は、通常の意味での磁石としての机能は持たない磁気秩序状态になります。

※6　磁石としての性质　
ここでは、磁石を近づけた时に、磁石にくっつく性质を持つ物质を、「磁石としての性质を持つ物质」すなわち「磁石」とみなします。磁気秩序を持たない物质（常磁性体）は、「磁石」ではありません。磁気秩序を持つ物质のうち、强磁性体、フェリ磁性体は「磁石」ですが、反强磁性体は「磁石」ではありません。

※7　多孔性磁石　
以前にも二酸化炭素を利用した多孔性磁石を报告していますが（东北大学プレスリリース2020年12月1日）、こちらは二酸化炭素吸着により磁石を磁石でない物质に変える材料であり、今回の材料とは逆の机能を持ちます。他にも酸素や有机溶媒蒸気、ヨウ素分子の吸脱着を利用した磁石の翱狈-翱贵贵（磁気相変换）が可能な材料が、これまでの研究において见出されていました。

东北大学プレスリリース（2019年1月16日）