韓国科学技術院(KAIST)は5月11日、同院とスタンフォード大学の共同研究チームが、混合する金属の種類が増えるほど、より均一なナノ粒子が形成される「複雑性のパラドックス」を確認したと発表した。研究成果は学術誌Scienceに掲載された。

Figure 1. (Top) Increasing number of possible product metal combinations (Bottom) Composition-focusing behavior

ナノ粒子は、半導体、環境配慮型エネルギー、バイオテクノロジーなどの中核材料である。一方、構成元素が増えると、各元素の反応速度の違いにより粒子の大きさや形状にばらつきが生じ、精密制御の大きな課題とされてきた。

KAIST化学・生体分子工学科のチョン・ヒテ(Hee-Tae Jung)特別教授とスタンフォード大学のマッテオ・カルニェッロ(Matteo Cargnello)教授が率いる研究チームは、金属元素の数が増えるにつれて粒子ごとの金属組成のばらつきが小さくなり、より均一になる「組成フォーカシング」に着目した。異なる金属原子が競合的に結合する過程で、先に定着した原子が足場となり、後続の原子が付着しやすくなることを確認した。その結果、原子は無秩序に混ざるのではなく、層状に規則正しく積み重なり、安定した構造を形成した。

Figure 2. (Top) Formation mechanism of five-element nanoparticles, (Bottom) comparison of catalytic performance

この原理を検証するため、研究チームは5種類の金属を含む多金属ナノ粒子触媒を作製した。高温と高性能触媒を必要とするアンモニア分解による水素製造反応で、この新材料は現在の産業標準であるルテニウム触媒の4倍の効率を示した。複雑な化学反応環境は、従来は障害と考えられてきたが、実際には原子が秩序ある構造を得る助けになることが示された。

本研究には、KAISTのユン・ジス(Jeesoo Yoon)博士課程学生とスタンフォード大学のジンウォン・オー(Jinwon Oh)博士が共同筆頭著者として参加した。ドイツのBASF社とソウル大学校も共同研究に参加した。同特別教授は「本研究は、予想外の逆説的現象を発見し、その作動原理を明らかにした点で意義があります。この原理を活用すれば、目的とする性能に合わせて金属組成を設計でき、水素製造や二酸化炭素変換などに向けた高性能触媒や環境配慮型エネルギー材料の開発に活用されると期待されます」と述べた。

Figure 3. Schematic illustration of multicomponent nanoparticle formation
(出典：いずれもKAIST)

サイエンスポータルアジアパシフィック編集部