TSUKUBA FUTURE #085：平面に広がる新しい材料の世界
数理物質系 近藤 剛弘 准教授
原子や分子が1層だけの平面構造で連なった物質を「二次元物質」といいます。新素材として注目されている炭素の二次元物質グラフェンが有名です。同じ炭素という元素なのに、原子同士の結合状態によって、ダイヤモンドやグラファイトなど、全く異なる性状の物質を形成し、グラフェンになると、強度や導電性で特別な特徴を示すようになります。そうしたことから、様々な二次元物質が盛んに研究されるようになっています。近藤さんは、水素とホウ素で構成される二次元物質、ボロファンに着目しました。理論的にはグラフェンよりも優れた性質を持つという予測がなされていたのですが、実際にはまだ作られていませんでした。
研究の話になると思わず表情が変わる
研究を始めておよそ1年、ボロファンを作るための出発物質に関する論文を発表しようとした矢先に、インドの研究者が同じ内容の論文を発表してしまいました。残念ながら、研究の世界は早い者勝ちです。次の成果で勝負するしかないと気持ちを切り替えました。研究を加速して、出発物質からボロファンができるメカニズムを明らかにし、ついにボロファンの生成に成功しました。今度こそ、近藤さんが世界に先駆けました。
ホウ素と水素からなる物質といっても、その構造はいくつもあります。実はボロファンとは、それらの総称です。近藤さんは新しく生成したボロファンを「ホウ化水素シート」と命名しました。これは、ホウ素がマイナス、水素がプラスに帯電していることを意味しています。ホウ素の不思議な性質のひとつは、プラスにもマイナスにも帯電することです。通常、ホウ素はプラスに帯電し、水素と結合する場合も、水素の方がマイナスに帯電しています。このようなタイプの化合物は「水素化ホウ素」と呼ばれ、すでに何種類も知られています。些細なことのようにも思えますが、「ホウ化水素」であることこそが、この物質の新しさなのです。それによって、特異な性質が生まれるのです。
ホウ化水素シートは、一見すると、薄黄色のポロポロした粉末です。それを電子顕微鏡で観察すると、何枚か重なったティッシュペーパーがくしゃくしゃになっているように見えます。その1枚1枚はどのような原子配列でできているか、X線回折や光吸収などの方法で詳しく解析してみました。すると、基本骨格はホウ素原子が六角形状に並んでおり、その間の特定の場所に水素原子が規則的に配置されるという、ちょっと変わった構造であることがわかりました。水素もホウ素も軽い元素です。このため、材料としても全体としても軽量である上に、熱を加えると水素だけが放出されます。つまりホウ化水素シートは、水素を貯めておくことのできる材料なのです。燃料電池自動車や家庭用燃料電池など、水素は燃料電池の燃料としても注目されていますが、極めて軽い気体のため、輸送や保管に難があります。しかしホウ化水素シートの中に吸蔵すれば、固体燃料として持ち運び可能なうえ、必要な時に取り出すことができるのです。
原料の二ホウ化マグネシウム（左）と生成されたホウ化水素（右）
高校までは化学よりは物理の方が好きだったという近藤さん。それが、大学に入り、化学反応を物理学の視点で捉えて理解する手法を知り、化学がどんどん面白くなったそうです。新しい材料を創出する研究は、物質として新しいものを合成するだけで終わるのではなく、その構造や性質を綿密に調べ、応用の可能性を探るところまでを含みます。ですからたくさんの研究者と力を合わせることも大切です。たとえば、化学反応で得られた混合物から目的の化合物だけを取り出したり、調べたい性質に応じて適切な測定条件を設定するなど、それぞれの実験にその道の専門家が求められます。近藤さんの研究も、他の大学や研究機関のチームと協力することで、ここまで到達できました。そうやって、これまでにない性質?機能を持つ材料、すなわち役に立つ材料を作ること、それが研究に取り組む大きなモチベーションです。
ホウ化水素シートは導電性物質としても有望で、理論的には超伝導を示す可能性があります。実用化の研究が進みつつあるグラフェンよりも高速に電子が流れることも予想されています。また、異なる二次元物質を組み合わせると、それぞれの持ち味に応じて新しい性質が発現します。ホウ化水素シートと他の二次元物質とを複合させられれば、さらに高機能な材料へと発展する期待も高まります。生まれたばかりのホウ化水素シートをどのように育てていくか、近藤さんのチャレンジは続きます。
文責：広報室 サイエンスコミュニケーター