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2025-11-26 06:07:00
西安交通リバプール大学 (XJTLU) による新しい研究は、科学者が次世代の磁気材料、スピントロニクス (スピン輸送エレクトロニクス)、および量子材料を設計するのに役立つ可能性があります。
化学材料科学部のフィリッポ・ボイ博士が主導したこの研究では、カーボンナノチューブ内に閉じ込められたときの鉄の異常な原子配列（結晶構造、または相）が明らかになった。このタイプの鉄相は、周囲条件 (通常の室温および気圧) では不安定になります。独特の磁気特性を持っているため、エレクトロニクスや量子技術にとって価値があります。
カーボン ナノチューブは、同心円筒状に巻かれた炭素の多くの単原子層から構成されるものとして視覚化できます。発表された研究では、直径がナノメートルオーダーの小さな鉄のワイヤーがカーボンナノチューブの中に閉じ込められていた。
研究者らは、その場製造プロセス、すなわち高度な化学気相成長法を使用して、カーボン ナノチューブの膜を形成しました。各ナノチューブには、カーボン ナノチューブの毛細管に沿って連続した鉄ベースのナノワイヤが充填されています。
研究者らは、低速冷却と急速冷却の特定のシーケンスを組み合わせてカーボンナノチューブ内に閉じ込められた鉄相の原子構造を調整することにより、非平衡鉄相、すなわち面心立方晶および六方最密充填鉄を室温で安定化することができた。
独特の磁気挙動
カプセル化された鉄ベースのナノワイヤーは、鉄原子の局所的な構造配置に強く依存する、強磁性と反強磁性の両方の珍しい組み合わせを示すことが判明しました。典型的な強磁性体では、磁気モーメント（各原子に関連付けられた小さな磁石）が優先方向に整列し、相互作用して自発的な分子場を生じます。一方、反強磁性体では、モーメントは逆平行配置を示します。強磁性成分と反強磁性成分の両方の組み合わせは、（鋭い界面を介して）物理的および磁気的接触が確立されると、交換バイアスとして知られる現象を引き起こします。これは、スピントロニクス、磁気データ記録、およびスピンバルブのような技術に重要な関連性があります。
新しい研究の方向性を推進する
ボイ博士によると、この研究はカーボンナノチューブに閉じ込められた材料の科学的理解を前進させ、「調整可能な」磁気特性と電子特性を備えたナノ材料を設計する新しい方法を提供するという。
「精密な合成制御とナノスケールイメージングおよび磁気特性評価を組み合わせることで、材料の挙動を決定する原子レベルの変化を直接観察できるようになります」とボイ博士は言います。
著者らによると、この方法は、ニッケル、コバルト、およびそれらの合金などの他の金属ナノワイヤ システムにも使用でき、周囲条件下で高圧相を安定化させることができます。これらの発見は、生体磁性、材料物理学、ナノ磁性、スピントロニクスにおけるさらなる研究、さらには交換バイアスシステム、量子データストレージデバイス、ナノ医療用のナノヒーター技術への応用を刺激する可能性があります。
多層カーボン ナノチューブ (CNT) への hcp ε‑Fe マルテンサイト相のカプセル化を明らかにする HRTEM 顕微鏡写真。クレジット: Boi ら、DOI: 10.1016/j.carbon.2025.120932
Boi博士は、理学部の研究室および技術チームのQiuchen Dong博士、Zihui Qiu博士、Jianfang Wu博士とともにこの研究を実施しました。このチームの研究論文は、最近『Carbon』誌に掲載されました。
王陸堯
編集者 パトリシア・ピータース
#研究者らはカーボンナノチューブ内に珍しい形態の鉄を発見