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圧力で熱変化の磁性材料、新冷凍技術に道

掲載日:2014年11月5日

反強磁性体と呼ばれる外部に磁力を出さない特殊な磁性材料を用いて、圧力によって磁性を制御して室温で吸熱・放熱する技術を、産業技術総合研究所グリーン磁性材料研究センター(名古屋市守山区)の藤田麻哉(ふじた あさや)研究チーム長らが開発した。さらにこの反強磁性に、熱変化を増大させる固有の性質があることも見いだした。

磁性材料の物性研究に新境地を開くほか、新しい固体冷凍技術につながる成果として注目される。東北大学工学研究科の大学院生の松波大地(まつなみ だいち)さんと狩野みか(かのう みか)博士研究員、 名古屋大学工学研究科の竹中康司(たけなか こうし)教授との共同研究で、10月27日の英科学誌Nature Materialsオンライン版に発表した。

これまでの冷凍技術はフロンガスなどの気体の冷媒をコンプレッサーで圧縮している。フロンはオゾン層破壊や温暖化の作用があるが、それに替わる気体冷媒の開発が難しく、固体冷凍技術が注目されている。特に強磁性体の磁場による熱変化を応用した磁気冷凍は、冷凍効率が高いと予想され、実用化が期待されてきたが、冷凍に利用できる材料は、室温付近で相転移を起こす強磁性体だけで、このような条件を満たす材料は限られていた。

研究グループはまず、効率が高く、コンパクトな磁気冷凍システムを実現するための磁気熱量材料の開拓に、強磁性体を磁場で制御する方式で取り組んできた。今回は発想を変えて、磁場をかけて使えない材料である反強磁性体に着目し、圧力をかける方法を試みた。反強磁性体のMn3GaN(窒化マンガン・ガリウム)金属間化合物で物性の変化を研究した。

この材料は17℃の室温付近を境に、低温相の反強磁性体から、磁気が消失した無秩序な常磁性体に相転移する。その際、潜熱が現れる。この相転移は磁場では制御できないが、室温で圧力をかけると起きる。室温で反強磁性体の大きな圧力熱量効果の観測は初めてだった。反強磁性状態のMn3GaNに小型油圧機器で発生可能な約1000気圧をかけたところ、常磁性体に変化し、大きな吸熱(1㎏あたり6キロジュール)、すなわち冷熱発生を確認した。

また、Mn3GaNでは反強磁性体の特徴である磁気構造と原子構造の不整合である フラストレーションが生じるが、これが相転移に伴う吸熱・放熱の発生量を増幅していることも突き止めた。このフラストレーションは強磁性体で生じず、反強磁性体でしか起きない。その分、磁気熱量材料を開発するうえで、反強磁性体のメリットは大きいとみられる。

藤田麻哉研究チーム長は「材料を反強磁性体まで広げて、圧力による吸熱、放熱の現象を発見した。発想の転換がよかった。磁性材料の物性としても興味深い。発生する熱量は大きく、また圧力をかける油圧機器も小型でよいので、省エネの冷凍技術に応用できる可能性は十分ある。室温でより効率よい反強磁性材料も探索したい」と話している。

磁性の制御による熱量効果の模式図
図1. 磁性の制御による熱量効果の模式図、aが強磁性を磁場で制御する従来型、bが反強磁性を圧力で制御する今回の方式

磁気秩序変化に伴うエントロピー(熱)変化
図2. 磁気秩序変化に伴うエントロピー(熱)変化

原子構造と磁気構造の整合、熱変化を増幅する不整合(フラストレーション)
図3. 原子構造と磁気構造の整合、熱変化を増幅する不整合(フラストレーション)
(いずれも提供:産業技術総合研究所)
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