水素吸蔵材料における負熱膨張現象の発見

2026-03-04 東京都立大学

東京都立大学、東京科学大学、北海道大学の研究グループは、水素吸蔵材料CoZr₂H₃.₄₉において特定方向の負熱膨張現象を発見した。通常、物質は温度上昇に伴い膨張するが、負熱膨張材料は逆に収縮する性質を持つ。本研究では放射光粉末X線回折測定により、CoZr₂H₃.₄₉がキュリー温度(139K)以下の強磁性相において、c軸方向でのみ負熱膨張を示すことを明らかにした。この現象は水素を含まないCoZr₂の負熱膨張とは異なり、原子振動ではなく強磁性転移による電子状態の変化によって駆動される相転移型機構であることが分かった。今後、水素量の制御によって各方向の熱膨張係数を調整できれば、単一物質によるゼロ熱膨張材料の開発につながる可能性がある。本成果は電子デバイスや精密機器などで重要となる熱膨張制御材料の開発に貢献すると期待される。

水素吸蔵材料における負熱膨張現象の発見

図1.CoZr2の結晶構造 (I4/mcm)とCoZr2Hx (P4/ncc)の結晶構造。

<関連情報>

CoZr2H3.49の弱遍歴強磁性相における一軸負熱膨張 Uniaxial Negative Thermal Expansion in a Weak-Itinerant-Ferromagnetic Phase of CoZr2H3.49

Yuto Watanabe,Kota Suzuki,Takayoshi Katase,Akira Miura,Aichi Yamashita,Yoshikazu Mizuguchi
Journal of the American Chemical Society  Published: February 10, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.5c22412

Abstract

We report an observation of uniaxial negative thermal expansion (NTE) that emerges exclusively in the weak-itinerant-ferromagnetic phase of hydrogenated CoZr2H3.49. Powder synchrotron X-ray diffraction revealed that the c-axis contracts upon heating below the Curie temperature (TC = 139 K), whereas the a-axis shows a positive thermal expansion. Magnetization measurements combined with Arrott plot analyses yielded a Rhodes–Wohlfarth ratio of 3.49, establishing the itinerant nature of the ferromagnetism. The observed uniaxial NTE in CoZr2H3.49 clearly contrasts with the phonon-driven type anomalous thermal expansion in CoZr2 superconductors, which demonstrates that hydrogen insertion switches both the electronic structure and the mechanisms of the uniaxial NTE. The uniaxial NTE is likely associated with an enhanced sharpening of the antibonding Co3dz2 density of states, which favors the expansion of the one-dimensional Co–Co chain along the c-axis as the temperature decreases in the ferromagnetic state. These results establish the CoZr2Hx system as a platform for investigating the interplay among superconductivity, itinerant ferromagnetism, and NTE.

1701物理及び化学
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