負熱膨張材料の安全でクリーンな合成法を開発―環境負荷の低減、精密機器の熱制御に適した微粒子化に成功―

皆さんは「熱膨張」という言葉を聞いたことがあるでしょうか？ ほとんどの物質は、温めると体積が膨らみ、冷やすと縮みます。これは私たちの日常生活でもよく見かける現象で、例えば夏の線路が伸びて歪んだり、冬に水道管が凍結して破裂したりするのも、この熱膨張が関係しています。しかし、世の中にはこの常識とは逆の動きをする、ちょっと変わった物質が存在します。それが「負熱膨張材料」です。

京都大学の研究グループが今回発表したのは、この負熱膨張材料の一つである「ペロブスカイト型酸化物 BiNi1-xFexO3」という物質を、より安全で環境に優しい方法で作る技術です。これまでの負熱膨張材料の合成には、高い温度や圧力が必要だったり、環境に負荷をかける物質を使ったりすることが課題でした。例えば、高圧合成法では、文字通り非常に高い圧力をかけながら材料を作るため、設備も大がかりになり、コストもかさみます。また、使われる試薬によっては、環境への配慮も必要になってきます。

今回の研究では、そうした従来の課題を解決し、もっと手軽に、そしてクリーンに負熱膨張材料を合成できるようになった、というのが大きなポイントです。具体的には、大気圧に近い条件で、しかも比較的低い温度で材料を作れるようになりました。これは、製造コストの削減や、環境への影響を減らすことにつながります。さらに、この新しい方法でできた材料は、粒子が非常に細かく、均一であることも分かりました。材料が微粒子であることは、精密機器の熱制御において非常に重要です。例えば、スマートフォンやパソコンの内部では、たくさんの部品が密集しており、熱が出たり冷えたりすることで、わずかながらも膨張・収縮を繰り返しています。このわずかな動きが、機器の故障の原因になることもあります。

負熱膨張材料は、このような「熱による膨張」を打ち消す働きがあります。例えば、熱で膨らむ部品の近くに負熱膨張材料を配置すれば、全体としての体積変化を抑えることができるのです。まるで、熱によるプラスの膨張を、マイナスの膨張で相殺するようなイメージですね。今回の研究成果は、これまで高価で製造が難しかった負熱膨張材料を、もっと身近なものにする可能性を秘めています。私たちの身の回りの精密機器が、より長く、より安定して使えるようになる未来が、少しだけ近づいたと言えるでしょう。