JAXA・東大など、宇宙実験技術を活用してホウ素の謎を解明

ホウ素は融けると金属になる？
〜宇宙実験技術を活用してホウ素の謎を解明〜


＜ポイント＞
　・宇宙実験技術「静電浮遊法」を用いて、ホウ素（融点２，０７７℃）を中空で溶融させ、その状態の電子構造を測定することに世界で初めて成功した。
　・ホウ素の溶融状態は金属ではないことが判明した。
　・この方法を利用し、物質の超高温状態の性質を理解することで、新たな材料開発につながることが期待される。


　JST　戦略的創造研究推進事業において、宇宙航空研究開発機構（JAXA）　宇宙科学研究所（常田　佐久　所長）の岡田　純平　助教、石川　毅彦　教授と東京大学（五神　真　総長）の木村　薫　教授を中心とする研究グループは、宇宙実験技術「静電浮遊法」と大型放射光施設　SPring−８注１）を用いて、溶融したホウ素の電子構造を解明することに世界で初めて成功しました。これまで理論的には金属ではないかと考えられていたホウ素融体が、実は金属ではなく、半導体的性質を強く持つことを明らかにしました。
　軽くて硬いという特徴を持つホウ素（B）は、採掘が容易なことから古くから人類が用いてきた元素です。ホウ素を含む材料は、ガラス製品の母材の酸化ホウ素（B２O３）、日本で発見された高温超伝導材料のニホウ化マグネシウム（MgB２）、あるいは、非常に硬く、研磨剤などに使われるボロンカーバイト（B４C）など、私たちの周りにおいてさまざまな形で利用されています。
　ホウ素の性質について、これまでさまざまな研究が行われてきましたが、ホウ素の溶融状態については、２，０００℃を超える高い融点を持つことと、ホウ素の融体を保持する容器が存在しないことが障害となり、その性質は良く分かっていませんでした。
　今回の成果により、ホウ素の溶融状態の性質が、理論的に予想された性質と異なることが分かりました。こうした物質を正確に理解し利用することで、新たな材料開発につながると期待されます。
　本研究成果は、米国物理学会誌「Physical　Review　Letters」に掲載され、オンライン版でも近日中に公開されます。


　本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。
　　戦略的創造研究推進事業
　　研究領域：「新物質科学と元素戦略」
　　　　　　　（研究総括：細野　秀雄　東京工業大学　フロンティア研究機構／応用セラミックス研究所　教授）
　　研究課題名：「超過冷却液体を用いたナノスケール複合材料の創製」
　　研　究　者：岡田　純平（宇宙航空研究開発機構　宇宙科学研究所　助教）
　　研究期間：平成２４年１０月〜平成２８年３月


＜研究の背景と経緯＞
　周期律表において元素は、大きく分けると、金属と非金属（半導体、絶縁体）に分類されます（図１）。ホウ素や硅素（シリコン）などの元素は、金属と非金属の境界に位置します。こうした元素は、固体と液体とで性質が大きく異なることが知られています。シリコン、炭素、ゲルマニウムなどは、固体では典型的な半導体ですが、溶けると金属になります。これまで理論的な予想として、シリコンなどのように、ホウ素は溶けると金属になると考えられてきましたが、実際にホウ素が溶けると金属になるのかは明らかになっていませんでした。


＜研究の内容＞
　ホウ素融体を研究する際の障害となるのが、ホウ素の融点が２，０７７℃と非常に高く、極めて反応性に富むことです。ホウ素融体はあらゆる材料と反応するために、ホウ素融体を安定に保持できる容器は存在しないと考えられています。そこで岡田助教らは、容器を用いずにホウ素を溶融可能な静電浮遊法を用いることにしました。

　静電浮遊法は、国際宇宙ステーションでの実験に向けてJAXAが開発してきた技術です（図２）。この実験技術は静電気を用いて材料を浮遊保持するので、容器を用いる必要がなく、溶融状態のホウ素であっても他の物質と反応することはありません。この方法を用いることにより、ホウ素を溶融して保持することに成功しました。

　次に、ホウ素融体が金属であるかどうかを調べるために、大型放射光施設SPring−８のBL０８Wの実験ステーションに静電浮遊溶解装置を設置し、コンプトン散乱測定法注２）と呼ばれる、物質中の電子の振る舞いを直接見る手法を用いて、ホウ素融体中の電子の挙動を観測しました。実験結果を計算機シミュレーションで解析することにより、ホウ素融体中の電子の分布を求めました。その結果、ホウ素融体中の電子は、それほど動き回っておらず、むしろ大半の電子が原子間に拘束されていることが判明しました。このことは、ホウ素融体は金属ではなく、半導体であることを意味します。


＜今後の展開＞
　超高温や超高圧などの極限環境における物質の性質を調べることは容易ではありません。今回用いた静電浮遊法は、２，０００℃以上の超高温状態を中空に実現できる画期的な手法です。静電浮遊法を用いることにより、これまでは調べることが困難だった超高温状態における物質の性質を調べることが可能になります。

　超高温の状態におかれた物質について、我々が理解していることは限られています。今回の研究でも、ホウ素の溶融状態の性質が、理論的に予想された性質と異なることが分かりました。化合物（複数の元素が混ざった物質）については、超高温状態の性質が分かっていない物質が多く存在します。こうした物質を正確に理解し利用することにより、新たな材料開発につながることが期待されます。


　※参考図・用語解説は添付の関連資料を参照


＜論文タイトル＞
　“Visualizing　the　mixed　bonding　properties　of　liquid　boron　with　high−resolution　x−ray　Compton　scattering”
　（高分解能X線コンプトン散乱測定による液体ボロン中の結合状態の可視化）