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量子ビーム物質解析学

本研究室では、結晶、非晶質物質、非平衡物質の物性の起源を原子のスケールで理解すること、その理解を踏まえて有用な材料を得ることを目標として、各物質の合成と解析を行っている。中性子線、X線(自由電子レーザーを含む)、電子線などの量子ビームを使って、回折法・散乱法・吸収法による解析を行い、太陽系、惑星、地球の物質や、人間に役立つエネルギー材料、機能性材料を調べている。量子ビーム解析により、物質中の原子の配列(静的構造)に加えて、原子の揺らぎと拡散(動的構造)を捉えることができる。物質の静的・動的構造と、その特徴的な物性との関連性を予測した上で、高温や高圧などの最適な条件の下で試料の合成を行い、それを解析することで、物性の起源を明らかにしている。

教員

* メールアドレスの後ろに .kyoto-u.ac.jp を補ってください。

奥地 拓生 ( Takuo OKUCHI )

奥地拓生教授(複合原子力科学研究所)

研究テーマ

宇宙や惑星にある物質である、鉱物、金属、氷の性質を、各種の量子ビームを使って解析しています。これらの物質ははるか遠方にあって、惑星探査でもやらないと手に取ることが難しそうですが、いろんな工夫をすれば、地上でもほぼ同じものがつくれます。つくった物質を手に取り、それが自然界において果たしてきた役割や機能を解析することで、人間が使うものづくりへの指針を得ることもできます。

連絡先

複合原子力科学研究所 研究棟 203号室
TEL: 072-451-2474
E-mail: okuchiアットマークrri

森 一広 ( Kazuhiro MORI )

森 一広准教授(複合原子力科学研究所)

研究テーマ

酸化物は、燃料電池や建造物など、我々の身近なところで数多く利用されています。このような機能性酸化物材料を対象として、粉末中性子回折による精密結晶構造解析を基に、材料特性の発現機構の解明、材料の高性能化および新しい機能性材料の開発に取り組んでいます。

連絡先

複合原子力科学研究所 研究棟 218号室
TEL: 072-451-2363
FAX: 072-451-2635
E-mail: kmoriアットマークrri

小野寺 陽平 ( Yohei ONODERA )

助教(複合原子力科学研究所)小野寺陽平

研究テーマ

中性子、放射光X線といった量子ビームを中心とした実験と分子動力学計算および逆モンテカルロ法による構造モデリング、そして最先端の位相的データ解析を相補利用することによって、ガラス・液体・アモルファスといった機能性非晶質材料の構造と機能の相関を明らかにする研究に取り組んでいます。

連絡先

複合原子力科学研究所 研究室棟 4号室
TEL: 072-451-2423
E-mail: y-onoderaアットマークrri

研究テーマ・開発紹介

宇宙惑星物質の構造学的研究

太陽系の外には、惑星系を持つ恒星がたくさん観測されており、そこでは天体の激しい衝突の繰り返しによって惑星が成長しています。45億年前の太陽系でも、このような過程を経て惑星としての地球が誕生しました(図1)。この衝突現象の瞬間を地上でつくりだし、物質の変化を調べます。その結果、太陽系や地球の歴史の理解に加えて、破壊に強い物質をつくるうえでも重要な知見が得られます。

その後、地球の一部となった物質の大部分は、地下深くの手の届かないところに埋めこまれました。本研究室では地下数百キロの過酷な条件をつくりだす実験技術を使って、そこにある結晶をつくり、原子の配列などの性質を解析しています(図2)。中性子線を使った解析の結果からは、地球をつくる最も大事な元素のひとつである水素の大部分が、イオンの状態で地下に埋め込まれており、その合計量は海水の全量を大きく超えることがわかりました。


惑星誕生の場の様子
図1 惑星誕生の場の様子

実験室合成した地球深部の結晶。それぞれが大量の水素イオンを含む。
図2 実験室合成した地球深部の結晶。それぞれが大量の水素イオンを含む。

電池材料の構造学的研究

蓄電池は現代社会の基盤を支える必要不可欠なキーテクノロジーの1つであり、その用途はスマートフォンやパソコンのような小型機器から、電気自動車(EV)や家庭用蓄電システムなどの大型機器へと拡大しています。これまで、蓄電池と言えばリチウムイオン電池(LIB)でしたが、現在、LIBの電池性能を超える次世代蓄電池(ポスト・リチウムイオン電池)の開発が急速に進んでいます。本研究室では、量子ビーム(中性子やX線など)を利用し、種々の電池材料の構造学的基礎研究を行っております。例えば、キャリアイオン(Li+やFなど)の存在位置、移動経路及びその動きを明らかにすることで、電池性能にとって最適な原子配列(構造)を見出しています(図3)。

中性子回折実験によって可視化した全固体フッ化物シャトル電池用固体電解質Ba0.6La0.4F2.4のフッ化物イオン伝導経路。
図3 中性子回折実験によって可視化した全固体フッ化物シャトル電池用固体電解質Ba0.6La0.4F2.4のフッ化物イオン伝導経路。

非晶質物質の構造学的研究

非晶質はガラスや液体に代表される原子配列が乱れた構造を持った物質です。非晶質物質はその乱れた構造に起因した特異な材料特性を示し、例えばガラス材料は、近年、食器や構造材料のみならず、スマートフォンのカバーガラスや光ファイバーなど、我々の身の回りで広く使われている生活に欠かすことのできない材料となっています。

さらに優れた材料特性を示す新しい非晶質物質を効率的に開発していくためには、材料の特性を発現させ、コントロールしている「構造」を明らかにし、その構造に基づいた物質創製が重要となりますが、長周期的に整った原子配列を持つ結晶とは異なり、原子配列が乱れている非晶質物質の構造を解析することには大きな困難が伴います。

本研究室では、最先端の量子ビーム実験で得られる回折・散乱データを理論計算、コンピュータシミュレーションと組み合わせることによって、非晶質物質の3次元原子配列を高い信頼性で構築し、乱れた原子配列からの、材料特性に重要な役割を担っている構造の抽出に取り組んでいます。

最も代表的な非晶質材料の一つであるシリカ(SiO2)ガラスの研究結果を図4に示します。回折データ(左図)に現れる特徴的なピークの起源となる構造を右図のマゼンタの領域として抽出しました。SiO2ガラスはSiO4四面体が連結して形成されるネットワーク構造によって構成されますが、水色で示したネットワーク構造が繰り返されることで形成される周期的な構造(赤矢印は約1ナノメートルの長さ)がガラスの中には存在することを見出しました。

我々は主に酸化物のガラス・液体を研究対象とし、ガラス形成能、熱物性、イオン伝導性、圧力応答性(主にガラスの高密度化のメカニズム)といった様々な材料特性に寄与する非晶質構造の解明(無秩序の中に潜む秩序の解明)に国内外の研究機関と共同で挑戦しています。

図4 シリカ(SiO2)ガラスの中性子回折および放射光X線回折データ(左)と回折データを再現するように理論計算を援用したコンピュータシミュレーションで構築したSiO2ガラスの3次元原子配列(右)。
図4 シリカ(SiO2)ガラスの中性子回折および放射光X線回折データ(左)と回折データを再現するように理論計算を援用したコンピュータシミュレーションで構築したSiO2ガラスの3次元原子配列(右)。