手で粉砕するだけで相転移する超セラミックスを開発~新規圧力・応力センサーの開発に期待~

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2025-03-25 北海道大学,北陸先端科学技術大学院大学,京都大学

北海道大学大学院工学研究院の鱒渕友治准教授らの研究グループは、カルボジイミド化合物が手粉砕によって相転移を起こすことを世界で初めて実証しました。具体的には、Ba₀.₉Sr₀.₁NCNというカルボジイミド化合物が、約0.3GPaの圧力で相転移することをダイヤモンドアンビルを用いた静水圧実験で確認し、さらに乳鉢と乳棒を用いた手粉砕でも同様の相転移が生じることを明らかにしました。この相転移により、Eu²⁺(ユウロピウム(II)イオン)を添加した試料は赤色蛍光体に変化することも確認されています。計算科学的手法を用いた解析から、構造相転移は原子が互いにすべるように変位することで起こることが示され、せん断応力によって「ずれやすい」特性が手粉砕による構造相転移に関与していることが分かりました。この成果は、圧力や応力によって光学特性や電磁気特性が変化する新しいセンサー材料の開発に寄与することが期待されます。本研究の詳細は、2025年3月24日付で米国化学会誌『Journal of the American Chemical Society』に掲載されました。

<関連情報>

マルカサイト型カルボジイミドにおける手粉砕誘起の相転移 Hand Milling Induced Phase Transition for Marcasite-type Carbodiimide

Yuzuki Yamamoto,Kazuki Kume,Suzuka Miyazaki,Ayako Shinozaki,Peng Song,Sayed Sahriar Hasan,Kenta Hongo,Ryo Maezono,Hiroki Ubukata,Hiroshi Kageyama,Mikio Higuchi,and Yuji Masubuchi
Journal of the American Chemical Society  Published: March 24, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.5c00962

Abstract

手で粉砕するだけで相転移する超セラミックスを開発~新規圧力・応力センサーの開発に期待~

While high-pressure phase transitions have been widely studied in inorganic compounds such as oxides and chalcogenides, relatively little attention has been given to compounds containing molecular anions, such as carbodiimides and cyanamides. This study investigates the phase transition of marcasite-type orthorhombic Ba0.9M0.1NCN carbodiimides, where a transformation to a CsCl-type tetragonal phase was observed at room temperature under hydrostatic pressure of 0.8 GPa (M = Ca) and 0.3 GPa (M = Sr). This transition, accompanied by an increase in the metal coordination under from 6 to 8, occurs at pressures significantly lower than those required for the high-pressure phase transitions of rock-salt-type metal halides and marcasite-type metal diantimonides. Remarkably, partial phase transitions were also induced by hand milling, a process that applies localized shear forces, distinct from the particle-crushing effects of high-energy ball milling. The transition mechanism, analyzed via variable-cell nudged elastic band (VCNEB) calculations, revealed that while the linear NCN2– anions remain stable, the shear-sliding of Ba2+ cations and the rotation of NCN2– anions are critical to the structural transformation. These findings underscore the potential of hand milling to effectively induce phase transitions in compounds containing linear molecular anions, offering new strategies for predicting and controlling such transitions in similar materials.

0500化学一般
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