国立大学法人東海国立大学機構 名古屋大学の竹中 康司 教授、東京工業大学 科学技術創成研究院 フロンティア材料研究所のLei Hu（レイ　フ）研究員、東 正樹 教授、神奈川県立産業技術総合研究所の西久保 匠、酒井 雄樹の両常勤研究員らの研究グループは、層状ルテニウム酸化物において巨大負熱膨張（用語1）の起源となっている結晶構造変化を解明した。
負熱膨張材料は、光通信や半導体製造装置などの構造材で、精密な位置決めをさまたげる熱膨張を補償（キャンセル）できる。還元処理した層状ルテニウム酸化物Ca₂RuO₄の焼結体は大きな負熱膨張を示すが、そのメカニズムはこれまで不明だった。本研究ではCa₂RuO₄の結晶構造変化を、電子線解析や放射光X線解析、第一原理計算（用語2）などの方法で調べた。その結果、昇温に伴う結晶構造の歪みの解消や、結晶粒間の空隙の減少が巨大な負熱膨張につながっていることが明らかになった。
本研究で巨大な負熱膨張のメカニズムが解明されたことで、今後は、高価なルテニウムの代わりに安価な金属元素を用いた、同様の特性を持つ新しい負熱膨張材料の設計が期待できる。研究成果は9月24日に米国化学会誌｢Chemistry of Materials｣のオンライン版に掲載された。

 【ポイント】

・ルテニウム酸化物の昇温に伴う結晶構造変化から、巨大負熱膨張のメカニズムを解明
・特定の電子軌道の占有による結晶構造の異方的熱変形が、巨大な負熱膨張を引き起こすことを発見
・光通信や半導体分野で利用される熱膨張抑制材としての活用を期待

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【用語説明】

（1）負熱膨張：通常の物質は温めると体積や長さが増大する、正の熱膨張を示す。しかし、一部の物質は温めることで可逆的に収縮する。こうした性質を負熱膨張と呼び、ゼロ熱膨張材料を開発する上で重要である。
（2）第一原理計算：経験によらず、量子力学の基本原理に立脚して、物質の結晶構造や電子状態を予測する理論計算。

【論文情報】

掲載誌：Chemistry of Materials
論文タイトル：Origin and absence of giant negative thermal expansion in reduced and oxidized Ca2RuO4
著者：Lei Hu, Yingcai Zhu, Yue-wen Fang, Masayuki Fukuda, Takumi Nishikubo, Zhao Pan, Yuki Sakai, Shogo Kawaguchi, Hena Das, Akihiko Machida, Tetsu Watanuki, Shigeo Mori, Koshi Takenaka, Masaki Azuma
DOI：10.1021/acs.chemmater.1c01619

URL：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.1c01619

【研究代表者】

https://mag.nuap.nagoya-u.ac.jp/HP.html