理化学研究所など、ナノの構造を利用しセメントを金属に変身させることに成功
セメントを金属に変身させることに成功 － ナノの構造を利用した現代版錬金術
■ＢＬ０２Ｂ２（粉末結晶構造解析）
国立大学法人東京工業大学は、公立大学法人大阪府立大学独立行政法人理化学研究所及び財団法人高輝度光科学研究センターと共同で、石灰とアルミナから構成される化合物１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３（Ｃ１２Ａ７）を、黒鉛と同程度の高い電気伝導を示す金属状態に変えることに成功した。
国立大学法人東京工業大学（学長 相澤益男）は、公立大学法人大阪府立大学（学長 南努）、独立行政法人理化学研究所（理事長 野依良治）及び財団法人高輝度光科学研究センター（理事長 吉良爽）と共同で、石灰とアルミナから構成される化合物１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３（Ｃ１２Ａ７）を、黒鉛と同程度の高い電気伝導を示す金属状態に変えることに成功した。
元来、石灰（カルシウムと酸素の化合物：化学式ＣａＯ）と酸化アルミニウム（アルミニウムと酸素の化合物：Ａｌ２Ｏ３）は、教科書類に載っている電気を流さない代表的な絶縁体である。今回、これらからできている１２ＣａＯ・７Ａｌ２Ｏ３（以下Ｃ１２Ａ７）というセメントの構成成分として使われている物質（図１．参照）が持つ、直径０．５ナノメートルのカゴの中に、多数の電子を入れ、電気を全く通さない状態から金属と同じように電気をよく通すように変えることに成功した。
このことは、電気を全く通さないと信じられてきた元素からできた物質でも、ナノの構造をうまく利用すれば、金属のようによく電気を通すように変えることが出来ることを明らかにした。
液晶ディスプレイやテレビなどに不可欠になっている透明金属は、希少な金属であるインジウムを用いなければならないという問題をかかえている。しかし、本研究成果は、ナノの構造を工夫することによって、インジウムのような希少な金属を全く使用することなく、身の回りにある、ごくありふれた元素を使って透明金属を実現できる有望な道筋を与えた。
本研究成果は、東京工業大学フロンティア創造共同研究センターの細野秀雄教授、大阪府立大学の久保田佳基准教授、独立行政法人理化学研究所の高田昌樹主任研究員（ＪＡＳＲＩ主席研究員兼務）らのグループの共同研究によるもので、米国化学会発行の科学雑誌Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒｓ（ナノ速報誌）に掲載（４月１１日）される予定である。
（論文）
"Ｍｅｔａｌｌｉｃ Ｓｔａｔｅ ｉｎ ａ Ｌｉｍｅ－Ａｌｕｍｉｎａ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｗｉｔｈ Ｎａｎｏｐｏｒｏｕｓ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ"（日本語訳：ナノ細孔構造を持つ石灰－アルミナ化合物の金属状態）
Ｓｕｎｇ Ｗｎｇ Ｋｉｍ， Ｓａｔｏｒｕ Ｍａｔｓｕｉｓｈｉ， Ｔａｋａｔｏｓｈｉ Ｎｏｍｕｒａ， Ｙｏｓｈｉｋｉ Ｋｕｂｏｔａ， Ｍａｓａｋｉ Ｔａｋａｔａ， Ｋａｔｓｕｒｏ Ｈａｙａｓｈｉ， Ｔｏｓｈｉｏ Ｋａｍｉｙａ， Ｍａｓａｈｉｒｏ Ｈｉｒａｎｏ， ａｎｄ Ｈｉｄｅｏ Ｈｏｓｏｎｏ
Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｅｒｓ （ナノ速報誌）
【研究の背景】
地殻の９９％は、酸素、ケイ素、アルミニウム、カルシウムなど８つの元素から構成されている。これらの元素は 酸素と結びついて（軽金属）酸化物として存在している。それらの酸化物は、ガラス、セメント、陶磁器などに原料として広く使用されているが、電気を通さないことは常識である。
東京工業大学フロンティア創造共同研究センターの細野秀雄教授らのグループは、絶縁体としてよく知られている上記の軽金属酸化物を、ナノの構造を利用し、半導体や金属に変えることを研究してきた。
同グループは、２００３年にＣ１２Ａ７を半導体に変えることに成功したが、金属にまで変えることが出来なかった。シリコンなどの半導体は、電子をドープしていくと、電気の流れやすさがどんどん増大していって、ある閾値の濃度を超えると金属状態に変わることがよく知られている。しかしながら、Ｃ１２Ａ７のような典型的な絶縁体が、金属状態にまで変えられるかどうか興味が持たれていたが、これまで実現していなかった。
【今回の研究と成果】
Ｃ１２Ａ７は、図２のようなナノサイズのカゴが、お互いに結びついて結晶をつくっており、その中に酸素イオン（Ｏ２－）が入っている。この酸素イオンが、ふわっと入っており、摂氏７００度以上になると、結晶の中をよく動き回ることに着目した。そして、この動きまわる酸素イオンを捕まえ安定した結合をつくるが、Ｃ１２Ａ７のカゴとは反応しない（反応するとカゴが壊れてしまう）、金属チタンと一緒にガラス管の中に封入して、摂氏１１００度で加熱することで、カゴの中の酸素イオンをほぼ１００％電子で置き換えることが可能になった。その結果、絶縁体から半導体、そして金属にまで変えることに成功した（図３参照）。
金属になったことが、以下の２つのことで確認された。
（ａ）温度が下がると電気抵抗が小さくなる（半導体は逆）
（ｂ） 磁性をもった不純物を少量加えると、電気抵抗が温度とともに単調に変化せず、ある温度で最低値をとるという非磁性金属に共通に見られる「近藤効果」が、明瞭に観察される。
室温での電気抵抗は、６ｘ１０－４Ωｃｍで金属マンガン（２ｘ１０－４Ωｃｍ）と同程度で黒鉛（１．３ｘ１０－３Ωｃｍ）より一桁低い。薄膜（厚み１００ナノメートル）にすると、肉眼に感じる可視の領域の光は７０％以上透過するので、金属や黒鉛のように不透明ではなく、向こうが透けてみえる。
シリコンなどの半導体が金属に変わるときは、電子の数は増えるが、電子一個あたりの動きやすさ（移動度）は減少する。しかしながら今回の研究において、Ｃ１２Ａ７の場合は、これとは逆で、金属化すると、半導体の状態よりも数十倍も大きくなることがわかった（図４左参照）。この原因を調べるため、大型放射光施設（ＳＰｒｉｎｇ－８）の粉末結晶構造解析ビームライン（ＢＬ０２Ｂ２）の高輝度放射光を用いて測定した回折データを、マキシマムエントロピー法（ＭＥＭ）／リートベルト解析と呼ばれる、電子密度イメージングと粉末回折パターンフィッティングとを組み合わせた方法で解析した。
ナノのカゴの中に酸素イオンが入っている絶縁体の状態では、カゴの形が歪んでいるが、酸素イオンを電子で置き換えていくと、どんどんその歪みがなくなっていき、ある濃度まで電子が増える（酸素イオンが減る）と、一気に全部のカゴの形が綺麗な、歪んでいない状態に至る。このとき、電子は急によく動けるようになり、その結果として、半導体が金属に変わることがわかった（図４右参照）。今回、ＳＰｒｉｎｇ－８の高輝度Ｘ線ビームを用いて測定した高精度回折データを使って解析したことが、このような金属状態と絶縁体状態の精密な構造変化の解明に結びついた。
【今後の発展】
希少元素に依存せず、ありふれた元素のみを使って、ナノの構造の工夫次第で、新しい機能を発現できる可能性を明快に示した結果といえる。
この成果は、現在問題になっている液晶ディスプレイやテレビなどに不可欠になっている希少な金属であるインジウムを使った透明金属が、ナノの構造を工夫することによって、希少な金属を全く使用せず、身の回りにある、ごくありふれた元素を使って実現できる有望な道筋となることが期待される。
今度の課題としては、典型的な絶縁体として知られていた、このセメント物質Ｃ１２Ａ７を、２００３年に半導体に変えることに成功し、今回は金属化に成功した。次の挑戦としては、超伝導が実現できるかどうかである。「セメント超伝導体」はこれからの目標である。
ここで紹介した研究は、文部科学省科学研究費 学術創成研究費の補助を受け、ＳＰｒｉｎｇ－８の利用研究課題２００５Ａ０１５５－ＮＤ１ａ－ｎｐで行われた。