配列ナノ空間を利用した新物質科学---ユビキタス元素戦略（谷垣　勝己）

研究領域名

配列ナノ空間を利用した新物質科学---ユビキタス元素戦略研究期間

研究期間

平成19年度～平成23年度

領域代表者

谷垣　勝己（東北大学・大学院理学研究科・教授）

領域代表者からの報告

（1）研究領域の目的及び意義

　物質のナノ構造を制御して新物質を創製し、科学技術を発展させる研究は、将来に向けた研究の最も重要な方向性の一つとなっている。このような研究の進展において、配列ナノ空間を有する物質群の概念及びそのナノ空間内に閉じ込められる物質の状態を適用して新しい物性を発現させる研究は、有力な物質開拓手法ならびに新しい物性研究手法である。これらの物質群では、微細加工技術だけでは容易に形成できないナノ領域の構造を、物質の自己組織化などの様々な現象を駆使して創製し、従来の物質系では得られない相互作用や量子閉じ込めに基づき新しい物性を発現させることが可能となる。また、配列ナノ空間を有する多くの物質は、地球上に広く存在する軽元素であることが多い。従って、ユビキタス元素戦略と関係させる研究は、学術的にも独創性があり社会的意義も高い研究である。本特定領域研究においては、新物質の創製と物性発現は重要な目標である。研究を推進するために、配列ナノ空間物質群の精密構造決定および種々の電子状態の測定技術ならびに基礎理論手法を大きく発展させることも目標とする。また、実際に創製された新物質を次世代デバイス応用へと発展させることも念頭において、物質基礎理学を推進する。ナノ領域の科学を発展させる研究の方向性は、物質科学における重要な潮流である。本特定領域研究により、日本から世界へ発信できる物質科学のニューパラダイムを形成し、新しい物質科学が創出され、次世代新素材の開拓が期待される。

（2）研究の進展状況及び成果の概要

　IV族元素から構成されるIV族幾何多面体物質、アルミニウム－シリコン－酸素から構成されるゼオライト及びエレクトライド、炭素系物質、III族ナノ空間物質を主要な戦略対象物質として、配列ナノ空間を利用した物質群を基礎概念とした新しい物質科学の研究を進めた。IV族元素から構成される幾何多面体物質に関しては、シリコン及びゲルマニウム元素から構成されるクラスレート物質に関して、キャリヤの種類（p及びn）を制御した単結晶の育成、電気伝導・超電導・熱伝導・熱電変換物性を中心に世界を先導した研究を展開した。今後、内包元素の創出する新しいフォノンと電子物性が関係する新しい物性研究が期待される。ゼオライトならびにエレクトライドからは、配列ナノ空間の量子性を強く反映した磁性と伝導の物性が確認された。アルカリ金属ゼオライトから発現する磁性に関しては、特殊極限環境下の測定により磁性発現機構が明確になってきた。一方、エレクトライドに関しては、超電導が観測され電子注入電極としての幅広い応用への展開が進められた。ボロン物質に関しては、αボロンにおいて不確実であった超電導が、明確に発現する状況となった。物質科学のニューパラダイムを創出する可能性のある新しい物質群も発見されている。一つは、ゼオライト形状の新しい炭素物質の発見であり、もう一つは縮合炭素系物質ピセンにおける初めての超電導の発現である。現在新しい物質系に関して、物質の精密構造ならびに精密物性の観点から様々な研究が進められている。理論研究においては、戦略物質ならびに新しく見出された物質群に関して、汎用性の高い理論体系が構築されている。

審査部会における所見

A　（現行のまま推進すればよい）

　本研究領域は、「配列ナノ空間」という、これまで着目されていなかった空間スケールに構造の多様性を見出し、その制御による新物質・新現象の開拓を目指しており、既に多くの研究成果を発信している。例えば、縮合分子系で初めてとなる超伝導を発見する等、特筆すべき研究成果もあり、また、積極的に論文発表・広報活動も行っている。研究前半の取り組みとしては高く評価できるものであり、今後の進展も大いに期待できる。しかしながら、研究領域名称にも掲げる「ユビキタス元素戦略」のコンセプトが不明瞭である。研究期間の後半では、この研究領域ならではの新機軸を打ち出すことを期待する。