硬い酸化物が大きく膨張する新現象を発見 — 結晶の基本骨格と化学組成を保ったまま、原子の並び方が変わることで「戻らない巨大膨張」を実現 —

2026-06-01 物質・材料研究機構

NIMS(物質・材料研究機構)は、高圧合成により作製したルテニウム酸バリウム(Ba₄Ru₃O₁₂)において、加熱すると体積が約4.4%増加し、冷却後もその膨張状態が維持される「戻らない巨大膨張」現象を発見した。一般にセラミックスや酸化物は熱膨張が小さく、冷却すると元の体積に戻る。また大きな体積変化が生じる場合は、結晶構造の相転移や化学反応を伴うことが多い。本研究では放射光X線回折による解析により、結晶構造の対称性や化学組成を維持したまま、結晶内部のルテニウム原子の占有配置が変化することで不可逆的な体積増加が起こることを明らかにした。これは従来知られていなかった新しい熱応答機構であり、結晶内部の構造フラストレーション解放が膨張の起源と考えられる。今後は膨張量や発現温度の制御手法の開発を進めるとともに、他の酸化物材料への展開を目指す。将来的には電子デバイスやパワーデバイスにおける熱応力の低減、部品の信頼性向上、高温環境向けセラミックス材料の開発などへの応用が期待される。

硬い酸化物が大きく膨張する新現象を発見 — 結晶の基本骨格と化学組成を保ったまま、原子の並び方が変わることで「戻らない巨大膨張」を実現 —
図: 加熱によりルテニウム原子の配置が変わり、結晶の基本骨格を保ったまま体積が増加する模式図。左から右へ、加熱に伴う変化を示す。赤いほど、ルテニウム原子がその位置を占める割合が高いことを示す。冷却後も体積は元に戻らず、膨張した状態が保たれる。なお、格子サイズの変化は視認性のため実際より強調して示している。

<関連情報>

高密度酸化物における構造的フラストレーションの解放による巨大格子膨張 Giant Lattice Expansion through Structural Frustration Release in a Dense Oxide

Zhijun Li,Hongbo Yuan,Alexei A. Belik,Terumasa Tadano,Yoshihiro Tsujimoto,and Kazunari Yamaura
Journal of the American Chemical Society  Published: May 20, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.6c07579

Abstract

Large lattice responses in dense inorganic oxides are typically driven by structural phase transitions or redox processes that alter the crystal symmetry or composition. Here, we identify a distinct mechanism for such responses: giant lattice expansion through symmetry-preserving cation redistribution in a metastable, structurally frustrated, dense oxide. High-pressure-quenched Ba4Ru3O12 undergoes an irreversible volumetric expansion of 4.4% between 450 and 650 K while retaining Rm symmetry and oxygen stoichiometry. High-resolution synchrotron diffraction reveals cooperative redistribution of Ru within face-sharing RuO6 trimers, directly linking the intratrimer cation configuration to the lattice volume. Thermogravimetric, transport, and magnetic measurements exclude decomposition, redox processes, and electronic or magnetic phase transitions. First-principles calculations show that compression stabilizes a low-volume cation configuration, which is retained after recovery to ambient pressure and relaxes upon heating through intratrimer cation exchange. Together, these results establish symmetry-preserving cation redistribution as a mechanism for giant lattice responses in dense oxides and identify metastable frustrated configurations as a route to large structural responses without symmetry-breaking or compositional change.

0501セラミックス及び無機化学製品
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