大阪公立大学の研究グループは、水中でレーザーを照射して多元素からなる「ハイエントロピー合金」の微粒子を作り、特定の元素が偏在する原因を突き止め、元素の割合を操作できることも確かめたと発表した。ハイエントロピー合金は次世代材料として幅広い応用が期待されており、作製方法の研究開発に役立つ可能性があるという。
ハイエントロピー合金とは
銅に亜鉛を加えた真ちゅう、鉄にクロムを加えたステンレス、アルミニウムに銅やマグネシウムを加えたジュラルミンなど、複数の元素からなる合金は単一の金属では得られない特性を持つ。従来の合金は主要な金属の特性を向上させるため別の金属を加えたものが多い。
2004年、5種類以上の元素をほぼ等しい割合で混合した「ハイエントロピー合金」の概念が提唱された（元素が3、4種類のものはミディアムエントロピー合金）。こうした合金は強度や耐熱性、耐食性などで優れていることが分かってきており、近年、触媒や電極材料、生体材料、熱電材料としての応用研究が進んでいる。
実験と結果
大阪公立大学の八ツ橋知幸教授（光化学）は、海外ではあまり研究されていない紫外レーザーの効果や、水中での合金作製について調べるため、鉄・コバルト・ニッケルからなる3元合金（FeCoNi）、これにクロムを加えた4元合金（CrFeCoNi）、さらにマンガンを加えた5元合金（CrMnFeCoNi）を用意した。それぞれを水に浸した状態で、近赤外レーザー、可視レーザー、紫外レーザーのいずれかを1秒間に100回照射すると、1マイクロメートルより小さく、概ね0.1マイクロメートルより大きい合金の「サブミクロン粒子」ができた。
これらの粒子を透過型電子顕微鏡で観察すると、小さいものでは各元素がほぼ均一に分布していたが、直径0.2マイクロメートルを超えるあたりから、鉄やクロム、マンガンが外側、コバルトとニッケルが内側に分布していた。元素の分布は「コアシェル型」「三日月型偏析」「均一分布」「相分離」の4タイプがあった。
八ツ橋教授によると、どのレーザーでも同様の結果で、各元素の酸化されやすさなどが関わっていると考えられるという。
元素組成の変化
さらに、サブミクロン粒子の元素組成をエネルギー分散型X線分析で調べると、紫外レーザーで作ったものは粒子直径が小さくなると元素の割合が大きく変化していた。FeCoNi粒子では鉄の割合が、CrFeCoNi粒子ではクロムと鉄の割合が、CrMnFeCoNiではクロム、マンガン、鉄の割合が、それぞれ元の原料と比べて顕著に増えた一方、コバルトとニッケルは減少していた。可視レーザーでも同じ傾向が見られたが、紫外レーザーほどではなかった。近赤外レーザーでは組成変化はほぼ起こらなかった。
今後の展望
ハイエントロピー合金の研究は、できるだけ均一に混ざった合金を作ることに焦点を当てたものが多いが、機能を発揮させるには元素の偏在も必要だという。今回の研究では、水中での紫外レーザー照射が合金の組成を変化させる条件になっているとみられ、八ツ橋教授は「レーザーの波長によって特定の元素を、特定の部位に、特定の割合で偏在させる操作の道筋を示したといえるだろう」と話す。
研究は6月1日、国際学術誌「ジャーナル・オブ・アロイズ・アンド・コンパウンズ」の電子版に掲載された。
