＜磁石プロの目＞
京都大などの研究チームは、炭素を素材に用いた磁石を作ることに成功しました。この成果は軽量・低コストで高性能の炭素磁石実用化に向けた一歩になりそうです。論文は日本時間1月９日、英科学誌ネイチャーに掲載されました。
まだ、詳細な研究内容はわかりませんが、まだ磁力は弱く、実用まではかなりの難問が待ち受けていそうです。ただし、磁力が弱くても、レアアースを使わない磁石、軽い磁石、微細な磁石、複雑形状磁石など、その特徴を生かした応用は数限りなくあるはずです。将来の「ＡＩデバイス」、「量子コンピューター」などへの実用展開が期待されます。
＜京都大学発表全文＞＊1月9日京都大学ホームページ
現代のエレクトロニクスには高性能な磁石が不可欠ですが、従来の磁石は主に金属で作られており重量や希少金属使用による供給リスク等の問題があります。これに対して、炭素は軽量かつ安価であることから、炭素でできた磁石の研究が進められています。グラフェンナノリボン（GNR）は、その端構造を設計することで電子・磁気特性を制御できる可能性があるため大きな注目を集めています。しかし、従来の研究では対称ジグザグ端を持つGNRしか合成できず、磁石の性質を示しませんでした（反強磁性）。これに対して、非対称ジグザグ端を持つGNRは強磁性を示すと考えられていましたが、その合成は技術的に非常に困難であり未解決の課題となっていました。
坂口浩司 エネルギー理工学研究所教授と小島崇寛 同助教、およびシンガポール国立大学（National University of Singapore ）、米国カリフォルニア大学バークレー校（University of California, Berkeley）との国際共同研究チームは、非対称なZ型構造を持つ前駆体分子を設計・合成し、これを金属基板上で一方向に揃えて繋げる新たな合成法を開発することで、非対称ジグザグ端型GNRの合成に成功しました。合成した非対称ジグザグ端型GNRは、本研究チームの理論予測通り、電子スピンがジグザグ端に高密度で局在し、「炭素磁石」としての特性を持つことを世界で初めて実証しました。この非対称ジグザグ端型GNRを、ギリシャ神話に登場する二面顔を持つ神「ヤヌス（Janus）」にちなみ、「Janus GNR（JGNR）」と命名しました。この成果は、磁性材料研究を革新する一歩となり、様々な電子工学、機械工学やメディカル分野への応用が期待されます。
本研究成果は、現地時間2025年1月8日に、国際学術誌「Nature」に掲載されました。
＜炭素磁石実用化に一歩＞
高性能磁石は電気自動車や風力発電機、精密加工機、スマートフォン、パソコン、医療機器などに幅広く使われています。現在主流のネオジム磁石は、重く、加工が難しい上、レアアース（希土類）を必要とするため、中国など一部の国だけが産出、供給するというリスクもあります。このため、研究者の間では従来より入手が容易で軽い炭素が新磁石素材として期待されていました。
京都大の坂口浩司教授と小島崇寛助教らは、炭素原子を網目状に並べた極薄シート「グラフェン」をひも状にしたグラフェンナノリボン（ＧＮＲ）に着目しました。理論計算で、リボンの両端を左右非対称にすると磁石になることが分かっていましたが、合成が難しかったのです。
そこで、坂口教授らは、ＧＮＲの「部品」となる非対称形状の炭素分子を設計し、これを金属基板上で決まった向きに並ぶよう反応させ、両端が非対称のＧＮＲを合成することに成功しました。
真空に近い状態にした高温の実験装置の中で、磁気が生じる源となる「スピン」の向きをそろえた炭素原子を次々とつなげ、磁石の性質を持つ長さ１０．０ｎｍ、幅１．５ｎｍ（ナノ・メートル：ナノは１０億分の１）が合成したＧＮＲです。なお、測定の結果、炭素磁石としての特性を持つことが分かりました。
磁力はネオジム磁石や、身の回りで多く使われているフェライト磁石などよりは弱いと考えられます。また酸素や水分と反応して劣化しやすいため、現段階ではまだ製造が難しいようですが、将来、安価で軽量な磁石の開発につながる可能性があるということです。
現状では真空中でのみ磁力を維持できるため、坂口教授は「大気中で使えるようにするほか、磁力を強めるなど、実用化にはいろいろな壁を越えないといけない」と話しています。
コメント