【本学研究者情報】

〇本学代表者所属?職?氏名：金属材料研究所?教授?宮坂 等
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【発表のポイント】

• 小分子の吸着により、磁石でない状態から磁石へと変換可能な多孔性材料の開発に成功しました。
• 吸着させる化学種に応じて得られる磁石の性質（相転移温度?磁気秩序）が多様に変化することを明らかにしました。
• 吸着化学種に依存して複数の磁気相間変換を実現する材料は世界初です。

【概要】

磁石本来の単なる性能向上にとどまらず、従来の磁性体では実現不可能であった機能を発現する磁石や、磁石のON/OFF機能を併せ持つ磁石の開発が注目されています。東北大学学際科学フロンティア研究所の張俊 助教と金属材料研究所の高坂亘 助教、宮坂等 教授の研究グループは、株式会社リガクの佐藤寛泰 博士との共同研究により、ベンゼンなどの小分子を吸着させることで、磁石でない状態から磁石へと変換する新たな多孔性材料の開発に成功しました。

今回開発された材料は分子性多孔性材料^*1の一種で、層状構造になっており、その層の間にベンゼンなどの小分子を出し入れできるのが特徴です。元々、この分子性多孔性材料は磁石としての性質を持ちません（常磁性状態^*2）。しかし、ベンゼンやジクロロメタン、キシレンなどの有機小分子を吸着させるとフェリ磁性体^*3になることを確認しました。逆に、吸着させた小分子を脱着させることにより元の常磁性体に戻ります。一方で、二硫化炭素を吸着させた場合には、反強磁性体^*4という、ベンゼン等の場合とは異なる磁気秩序状態^*5へと変わることも見出しました。本現象は、小分子が分子格子の構造変位を伴って包摂状態を安定化させることにより、分子格子の電子状態が包摂前後で変化することにより生じます。これまでに小分子の吸着により、磁石でないものを磁石へと変換した例はありません^*6。このような材料は、化学的刺激により駆動する新たな分子デバイス創製に繋がると期待されます。本研究成果は、2021年4月14日付け（現地時間）で米オンライン科学誌「Journal of the American Chemical Society」にオンライン掲載されました。

【用語解説】

＊1　分子性多孔性材料　ゼオライトや活性炭、シリカゲルのような無機物のみから構成される従来の多孔性材料に対して、金属イオンと有機配位子から構成される多孔性材料の総称です。金属―有機複合骨格（Metal-Organic Framework; MOF）や多孔性配位高分子（Porous Coordination Polymer; PCP）などと呼称されます。金属イオンの配位環境と有機物の持つ高い分子設計性に特徴があり、ナノサイズの細孔を利用した気体吸蔵?分離?触媒?センサーなどの分野での応用が期待されています。

＊2　常磁性状態　物質の電子スピンがバラバラの方向を向いているために非磁性であるが、磁場を印加すると、その方向に弱く配列する性質を常磁性と言います。常磁性を示す物質を常磁性体といい、常磁性体は、強力な磁石を近づけるとそちらに引き寄せられます。しかし、磁場を取り除くとスピンはまたバラバラの方向を向いてしまうため、常磁性体は、いわゆる磁石としての性質は持ちません。

＊3　フェリ磁性体　隣接スピン同士が逆方向を向く相互作用が働いている場合でも、スピンの大きさが異なるため、その差分により物質全体としては磁石になる物質をフェリ磁性体と言います。

＊4　反強磁性体　物質中の電子スピン間に磁気的な相互作用が働き、それが三次元的に長距離に及ぶことにより磁石となります。一般的な磁石は通常、強磁性体、あるいはフェリ磁性体のどちらかです。磁石には磁気相転移温度が存在し、それより高い温度領域では常磁性体となります。しかし、隣接する電子スピン同士が逆方向を向く相互作用（反強磁性的相互作用）が働き互いに打ち消し合う場合には、物質全体としては磁化を持たず、通常の意味での磁石とはなりません。このような物質のことを反強磁性体といいます。反強磁性体にも磁気相転移温度が存在し、それより高い温度領域では常磁性体となります。

＊5　磁気秩序状態　常磁性、強磁性、反強磁性、フェリ磁性をはじめとする様々な電子スピンの配列の様式（磁気秩序状態）を総称して磁気相といいます。常磁性は秩序を持たない状態であり、強磁性、反強磁性、フェリ磁性は磁気秩序を持つ状態です。一般的な自発磁化を示す"磁石"として機能するのは、強磁性、フェリ磁性の磁気秩序状態であり、反強磁性は、通常の意味での磁石としての機能は持たない磁気秩序状態になります。

＊6　多孔性磁石　磁石を磁石ではなくする例としては、酸素や二酸化炭素の吸脱着を利用した磁石のON-OFF（磁気相変換）が可能な材料が、これまでの研究において見出されていました。東北大学プレスリリース2019年1月16日および2020年12月1日

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

◆研究内容に関して
東北大学金属材料研究所
錯体物性化学研究部門　教授
宮坂　等（ミヤサカ　ヒトシ）
TEL：022-215-2030
Email：miyasaka*imr.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

◆報道に関して
東北大学金属材料研究所　情報企画室広報班
TEL：022-215-2144　FAX:022-215-2482
Email：imr-press*imr.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

東北大学学際科学フロンティア研究所 企画部URA
鈴木　一行
TEL：022-795-4353
Email：suzukik*fris.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）