温めると縮む新材料〜日経サイエンス2023年5月号より

半導体機器が動作するときの熱膨張を解消できそうだ

東京工業大学などの研究チームは温めると体積が小さくなる新材料を開発した。ストロンチウムなどを含む酸化物で，熱による収縮率として過去最高となる9.3％の体積変化を確認した。半導体機器や精密加工部品に応用すれば，動作時に問題となる熱膨張を解消できる可能性がある。コスト削減などの改良を進め，実用化を目指す。

研究チームはこれまでに鉛とバナジウムの酸化物にビスマスを混ぜた材料を合成し，当時としては最高の7.9％の体積変化を実証していた。今回はこの材料にストロンチウムを加えたところ，177℃から427℃に加熱したときに9.3％の体積変化を起こした。

達成した性能は温度上昇に伴う収縮率として過去最高で，実験用に販売されているマンガンと窒素を含む材料（1.4％）や，ビスマスとニッケルに鉄を混ぜた酸化物（2.4％）を大幅に上回る。兵庫県にある大型放射光施設「SPring-8」などで結晶構造を解析し，温めると縮む仕組みを詳しく調べた。

材料を温めると原子同士が長方形に結合した構造から正方形に結合した構造に少しずつ置き換わり，体積が小さくなっていた。材料中に2種類の異なる構造が共存することもわかった。東工大の東正樹教授は「改良の指針になる」と期待する。

材料を温めると，原子の配列が長方形（左側）から正方形（右側）に変わる。（画像:東正樹）

従来活用してきたビスマスには温度による構造の変化を促す効果があるが，縮む前の長方形のサイズが小さくなってしまう問題があった。ストロンチウムを加えたことで長方形が大きくなり，正方形に変化したときに体積変化が起きやすくなった。

ただし，人工ダイヤモンドの合成と同程度の高圧が必要でコストは高くなるという。有害物質の鉛を含むことや収縮が起こる温度と冷やして元に戻す温度が一致しない問題もある。今後，元素の種類や組成などを変えて改良を目指す。■

ほかにも話題満載！現在発売中の2023年5月号誌面でどうぞ。