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[NRIMNews1994-07.pdf](https://mdr.nims.go.jp/filesets/c2801d41-9c50-4958-ae3d-12a51e1fb150/download)

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石井 利和

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[金材技研ニュース 1994 No.7](https://mdr.nims.go.jp/datasets/60434dad-b565-4737-a490-9455d52e9223)

## Fulltext

金属技研ニュース　1994　No.7七〇一．＝ピEoo一一〇E蜆E0－oO］一〇〇〇一〇0＝あ○餉oo．］o－E0－ooo］101E0f000蜆o〇一10－〇一蜆○蜆眈Eo．ゼ≧里三…oo…Z－o○蜆］0f←同位体制御した材料合成／磁性体微粒子の運動観察／鉄超微粒子の新奇な磁1生同位体制御による材料の合成をめざして赤外レーザ照射によりケイ素同位体を分離　材料の作製には通常，天然から得た元素をそのまま用いている。しかし種々の元素のうちの多くは，原子量が異なる数種の同位体から成っており，同位体間の差異は原子核の物理的性質のほかに固体内の格子振動や分子の回転・振動等にも影響する。従って，同位体を分離・純化して材料を作製することにより，従来は単純に材料固有の物佳と兄なされてきた性質にも変化が生じ，ひいては材料特性の制御・向上に利用し得る可能性がある。　しかし，同位体の含有量を制御した材料の作製には，大量の同位体を容易に得る技術の確立が必要となる。このため，当研究所では同位体純化にレーザを用いる方法を模索しており，その一環として同位体ケイ素（Si）を連続的に分離し，さらには同位体含有率を制御したケイ素化合物を“その場”合成することを試みている。　天然のSiは，原子量が28，29，30の3種の同位体から成っている。このうち，2呂Siの純化は材料の熱伝導率の向上に，29Siは放射線被爆環境下でも使用できる低誘導放射化材料の作製に，また核磁気共鳴用の試料に，そして珊iは半導体のn型添加剤としての利用が考えられ　　　　　　　　　　　　　■る。　本研究では，ケイ素化合物のガスとして，六フッ化シラン（Si．F。）を反応セルの中に連続的に流しながら赤外波長域のレーザを照射することにより，同位体の濃縮を図った。波長が一定の赤外レーザを照射すると，下記のように特定の同位体を含むSi．F。が分解し，四フッ化シラン（SiF。）と固体状のケイ素高分子が生成する。　図は反応セル内を一回のみ通過させたSi．F。ガスが分解して生成したSiF。中の，29Siおよび宮“の濃度とレーザ波長との関イ系を示している。天然のSiでは29Siと雪“の含有率はそれぞれ4．67％，3．ユO％であるが，950cm■’付近の波数のレーザによりヨ“が約40％に濃縮され，956cm■1のレーザにより29Siが約10％に濃縮される。これらの波数域では未反応のSi．F沖に28S1が濃縮される。一方980cm■1付近の高波数側では，僅かながらSiF・中に28Siが，また，未反応のSi・F・中には29Siと帥Siが濃縮される。なお，反応セルを通過するガスを950cm■’のレーザで照射した場合，29Siと茗“が濃縮したSiF。は約4－10％の収率で，また，2宮Siが濃縮したSi．F眉は60～70％の高収率で回収され，残りは29Siと3“が濃縮した固体状のケイ素高分子として反応容器内に析出した。この高分子の同定を現在行っている。以上のように，レーザの波長を適切に選択し，また，照射を繰り返すことにより高濃縮度，高収量のケイ素同位体を容易に得る見通しが開けた。5040沃　30幽鯉20lo○1ヨ。Si□11蛆S1瞬ぜ〆天然のヨoSi筥oSi　　980　　　　　970　　　　　960　　　　　950　　　　　940　　　　　　930　　　　　　　　　波数　（o旧■ユ）図　赤外レーザ照射によって生成したSiF。中の珊Siと　　3“の濃度とレーザ波数との関係磁性体微粒子のランダムな運動の直接観察水媒質磁性流体の高粘性や複屈折の原因検証　磁性流体は粒径が10nm程の強磁性体微粒子が水や油などの液体媒質中に高濃度で分散したコロイドである。微粒子は活発に熱運動して他の微粒子との衝突を繰り返し，その頻度は室温で毎秒約！000回であることが磁気測定から分かっている。また，水を媒質とする磁性流体に特有の現象として，磁界をかけると磁性流体は異常に高い粘性を示し，かつ，光学的な複屈折を示す。これは微粒子が連なって微小な鎖状の配列をとるためと推測されてきたが，粒径が10nm程であることからその検証は難しく，電子顕微鏡を用いても磁性流体中の熱運動する微粒子を直接観察することはできない。　しかるに，逆説的ながら，本研究では光学的方法により磁性流体中の微粒子の運動や磁界中での形態変化を直接観察でき，激しい熱運動や微小な鎖状配列を検証した。磁性流体に入射した光はその波長よりはるかに小さい微粒子によっても散乱され（レイリー散乱），その散乱光を顕微鏡の光学系に導くと磁性流体微粒子の1個々々を光の点として観測することができ，微粒子の運動や磁界中の鎖状凝集体の形成過程ならびに分解過程を実時間で観測し，記録することができた。　図は本研究で用いた光学系である。スライドガラスとカバーガラスの間に水媒質の磁性流体をはさみ，カージオイド集光器を用いて対物レンズの開口角より大きい角度で磁性流体に光を照射した。ここで，対物レンズには散乱光のみが入るようにし，透過光は対物レンズの外に出るようにした。倍率は600倍とし，高感度CCDビデオアンプビ　デ　オレコーダービデオプりンタCCDカメラ／カージオイド㌢光器図　微粒子の熱運動を観察する顕微鏡の光学系（断面図）カメラで画像を撮影した。また，磁性流体をはさんだガラス板に平行に50一ユOOO　Oeの直涜磁界をかけた。　このようにして，磁性流体微粒子の極めて興味深い運動を直接観察できた。その様子はあたかも活発に動き回る生物の集団を兄るようである。微粒子はランダムな方向に走り回わるうちに他の微粒子と付いて磁界方向に沿って並ぷようになり，長い鎖状配列を多数作りかけるが，熱ゆらぎのために鎖は途中で切られ，磁界の強さと熱ゆらぎがほぽ釣り合う長さまで鎖は仲びる。その長さは一定ではなくて統計的分布をもつ。磁界を切ると微粒子は再び分散して活発に動き回り，磁界のオン・オフに即応してそれぞれの動的挙動を何度でも繰り返す。写真1，2はそれぞれ磁界ゼロおよび10000eにおける微粒子集団の1コマである。　この観察により水媒質の磁性流体が磁界中で示す高い粘性や複屈折発現の根源が明らかになった。この動的現象は水媒質の磁性流体にのみ観察され，油媒質の磁性流体には観察されなかった。微粒子の挙動と媒質の粘性等の諸性質との定量的な関係の把握は今後の課題である。　　　　　　　・1・・　　一｝1一写真1　磁界ゼロにおける磁性流体微粒子の様相　　　　　　　　　1000　0e写真2　磁界10000eにおける磁性流体徴粒子の様相固体中の鉄超微粒子が示す新奇な磁性メスバウアー分光法を用いて探究　粒径がナノメーターサイズの超微粒子は，大きさから云ってバルクと原子の申閲にあり，近年その様々な物性についての研究が行われている。特に強磁性体の趨微粒予については，磁佳がバルクの場含とどのように異なるかという基礎物佳的な槻点から注目されるとともに，磁気ヘッド材料，磁性流体，磁気紙抗素子等の応用の繭からも重要視されている。本研究ではできるだけ小さな強磁性金属趨微粒子を作製し，その磁性を調べることを實的とした。趨微粒子を酸化から防ぎ，種々の物性測定を行うには非磁惟の固体111111に理め込むことが有効である。鉄（Fe）趨微粒予をフッ化マグネシウム（MgF・）印に理め込んだ形の試料を作製し，主にメスバウアー分光法によりその状態分析（物質の同定等）ならびに磁性の研究を行って，下記のような趨微粒子特有の物性を襯測した。　メスバウアー分光法とは，原子核によるγ線の共鳴吸収を利用した状態分析の手法で，主としてFeを含む物質に迦1肩され，酸化等の化学的状態や磁佳に関する情報を得るのに用いられる。趨微粒予ではX線腫1折による精密な同定が難しくなることから，メスバウアー分光法はその状態分析に有用な手段である。また本方法のほかに，原子核を用いて電子状態の情報を碍る手段にNMR（核磁気共鴫法）があるが，NMRと比較しての長所は，Fe原子の存在状態のいかんに関わらず吸収スペクトルが必ず測定でき，Fe原子に関する情報が得られるという点にある。　試料の作製は高真空i1卸（4×王O■6Pa以下）で行った。FeとMgF。を別々の蒸発源から同時に蒸発させ，基板上に蒸着させて，原さ数百nmの薄膜を得た。基板には，γ線を良く透過するポリイミドの膜を州い，できるだけ小さい粒子を得るために基板を液体窒素で冷却した。作製した潮嘆試料をメスバウアー分光のほか，電子顕微鏡観察，電子線藺折およぴX線楓折によって調べた。　電子顕微鍍槻察の締果，粒径がト2独mのよくそろったFe超微粒子がMgF。申に均一に分散していることがわかった。図は，Fe超微粒子を26体横％含有する試料の，各温度におけるメスバウアースペクトルを示す。横軸は照射γ線のエネルギーを表し，右側ほどエネルギーが高い。縦軸はγ線透過率を表す。4．2Kにおいては6本の吸収線が襯察され，趨微粒子が強磁性状態にあることを示している。スペクトルには酸化物やフッ化物に対応する吸収線は現れておらず，Fe趨微粒子がほぽ金属状態にあることが分かる。つまり，FeとMgF・を同時蒸着しても化学灰応を起こさずに分離している。一方，77Kおよび室温においては，Fe趨微粒予が強磁性状態であるにもかかわらず，！本の吸収線しか現れていない。これはまさに趨微粒子特有の「趨常磁性」と呼ばれる現象で，磁化の向きが非常に逮くゆらぐために起こる。4．2Kではこのゆらぎが抑綿jされるために6本の吸収線が現れている。超常磁性によって生じた吸収線は，図を兄て分かるように，左右非対称であり，複・数の1吸収線が重なっていることを示唆する。　この重なりは容易に説明できる。すなわち，粒径がト2nmのFe超微粒子では全体の数十％の原子が粒子表面にあり，表面のFe原子と粒子内部のFe原子による吸収線が璽なっていると解釈される。また図中の4，2Kにおけるスペクトルは，バルクの場含のスペクトルと圭ヒ較すると幅が広くなっており，これも趨微粒子のFe原子の磁化が均一ではなくて分布をもっていることを示している。趨微粒子の平均の内部磁場（磁化の強さに対応する量）は370kOeであり，バルクの場含の340kOeよりも大きくなっているのは，趨微粒子の表面効果，MgF・による影響，絡子ひずみ等が磁化を強めているためと推測される。　以上のように，MgF。中にFeを分散させた試料は趨微粒子の磁性研究に適している。今後はさらに小粒径の微粒子を作成し，新奇な物性の発掘を嘗指すとともに，バルクから原子サイズヘの変遷に伴う物性の粒径依存性を系統的に調べて行く方針である。Fe－MgF！＃20T（K）295774．2　　　．・　”…、　　　・　　’．　’　．5　．’㌔ε戸．二　’　・〆　一　．　・1　、一10　　　　　　　　　　　　　0　　　　　　　　　　　　　10　　　　　　　γ繍膜の駆垂j』遼度（固皿ノS）　図　各温度におけるMgF2－26vol％Fe薄膜の　　　メスバウアースペクトル一3一8月の研究発表（国内分）学・協会名 開イ崔期闘 発　　　表　　　題　　　冒 発表者く所属）第10團結晶性材料の強度に 8．21－8．26 1．Re王ationsh三p　between　Deviations　from　Slip　P王anes 川崎　要造（設計）関する基礎的間題国際会議 and　Slip　Systems　of　Layered　Dislocat1oηStmc一（仙台・国際分化交流会館） tures　in　CopPer　Single　Crysta1s．2－Phase，Stabiiity　and　Creep　Behavior　of10Cr－30Mn 阿部箆士雄（環境）Austenitic　Steels．3．Cavity　Growth　in　a　Fine－grained　Yttria－Stabilized 平賀啓二郎（力学）他Tetragona－Zirconia　during　Superp1astic］⊃efor一matiOn．禽特許速報禽⑱出　願発　　明　　の　　名　　称 出　願　日 出願番号 発　明　老　名微細加］二方法 6－2－16 06－040610 升田樽之，松1渕三螂マンガン基制振合金およびその製造法 6．2．28 06－052590 川原浩司分散強化型モりブデン単緒晶体とその製造方法 6．3．2 06－05卑809 藤井一忠行，本多均一一析泌強化型モリブデン単緒晶体とその製造方法 6．3．2 06－054811 藤井一忠行，本多均一酸化物単結晶の製造方法とその装灘 6．3．2 06－054804 木村秀夫，沼澤健員■」，佐藤充典高温高強度TiA1基含金 6．3．2 06－054807 橋本健紀，信木　稔，1辛1村森彦，土肥春夫ハイブりツドビーム描圃装綴 6．3．u 06－066432 新谷紀雄，江頭　満，不動寺浩NiTi系高比強度耐熱合金 6．3．11 06－066435 小泉　裕，中沢静夫，呂　芳一，腺閏広史Nb－A1系余金の蔦温酸化抑制方法とそのNb－A1系含金 6．3．玉卑 06－C68101 寓崎昭光，1洞本三永子，冨塚功⑬登　録発　　明　　の　　名　　称 登　録　日 登録番号 発　明　者　名希土類ガーネット単結最の製造法 6－2．10 ユ82！43C 木村秀夫，沼澤健則，佐藤充典，肩畑　弘Fe－Ni－Co－A1－C合金 6．2．1C 1821在48 大塚秀幸，梶原節夫Al－Ti系焼結含金用母含金 6．2．28 1826405 萩原益夫，他1名（日召和電丁株式会社との共有特許権）大気汚染淑1淀装置 6－3．15 ！828308 小r1信行，高橋　聡，清沢昭雄，橘本榊哉飛行粒子の遮度と温度の同時捌定装概 6．4．25 1838397 黙蘭聖治，北原　繁，藤森秀木飛行粒子の遼度測定装護 6．4．25 1838398 黒日ヨ聖治，北原　繁，藤森秀木金属硫化物の製造方法 6．4．25 1838415 申村博昭，小川洋一，笠原　章，昼坤正博禽短　信禽⑱受　費　勲三等瑞宝章　元科学研究官　濠谷和男氏は高強度鋼の破壊挙動と靱性改善に関する研究の進展に貢献したことにより，平成6年5月1湘，上記の勲章を授与された。目本熱処理技術協会費粉金賞機能特性研究部　笹野久興我が国の熱処理技術の開発改良に顕著な業績を挙げたことにより，平成6年5月2蝸上記の賞を受けた。発　行　所（本　　所）（筑波支所）科学技術庁金属材料技術研究所予153東京都圓黒区印目黒2－3－12TEL（03）37！9－2271，FAX（03）3792－3337予305茨城県つくば市千現1－2－1TEL（0298）53一玉OOC（ダイヤルイン），FAX（0298）53－1005遜巻第曇27努編集兼発行人閥含せ先Fl］　斯111　所　　　　平成6年7月発行　　　　石枠利和　　　管理部企国諜普及係前　閑　日］励1株式金社東京揃噺宿区東五軒脾η一9