次世代形状記憶合金の原子配列と原子の動きの観察に成功

─より高性能の合金開発の指針に─

2025年4月25日 11:00

研究者情報

〇国際放射光イノベーション・スマート研究センター
階層的計測スマートラボ
教授　西堀麻衣子
センターウェブサイト
〇国際放射光イノベーション・スマート研究センター
階層的計測スマートラボ
助教　二宮翔
センターウェブサイト

発表のポイント

X線吸収分光法を用いて、これまで困難だった銅（Cu）-アルミニウム（Al）-マンガン（Mn）系形状記憶合金^（注１）の原子の並びを観測しました。
原子配列の観測に加え、磁気配列^（注２）構造がCu-Al-Mn合金の原子配列を大きく変化させることを発見しました。

発表概要

次世代の形状記憶合金として期待されるCu-Al-Mn系形状記憶合金は、原料が安価で加工しやすく、良好な超弾性^（注３）を発現することから、耐震材料や医療デバイスなど幅広い分野での応用が期待されています。さらに性能を高めるためには合金の原子の並びと配列の変化を詳しく知る必要があります。しかしこれまでの技術でこれらを調べることは困難でした。
東北大学と九州大学、株式会社古河テクノマテリアル（神奈川県平塚市、花谷健社長）の共同研究グループは、Cu-Al-Mn系形状記憶合金の原子レベルでの構造変化を解明しました。X線吸収分光法（XAS）^（注４）と第一原理計算（DFT）^（注５）を用いて、熱処理による合金内部のMn原子の動きやナノスケールの濃度ゆらぎを観測した結果、Mn原子の移動が磁気的性質に影響を受け、形状記憶効果をもたらす規則配列構造の形成を促すことを世界で初めて明らかにしました。
今回の成果を受け、今後、この合金の更なる高機能化に貢献し再利用可能な建築材料等への応用が期待されるとともに、本研究で用いた手法は金属ガラス^（注６）や高エントロピー合金^（注７）など複雑な金属材料の理解にも貢献すると期待されます。
この研究成果は、2025年4 月11日（米国時間）に材料科学分野の専門誌Journal of Alloys and Compounds誌にオンライン公開されました。

図1. 熱処理にともなうCu-Al-Mn系形状記憶合金の原子の並びの変化

用語解説

注1. Cu-Al-Mn系形状記憶合金：東北大学 石田清仁名誉教授，貝沼亮介教授，須藤裕司教授，大森俊洋教授らグループによって開発（Kainuma et al. 1996, Sutou et al. 2008）
注2. 磁気配列：磁石の性質を持つ「スピン（電子の小さな磁石のような性質）」が、物質の中でどのように並んでいるか、という状態を指す。たとえば、スピンが同じ向きにそろっていれば「強磁性（きょうじせい）」、交互に逆向きに並べば「反強磁性（はんきょうじせい）」と呼ぶ。
注3. 超弾性：結晶構造変化を通じて物体が変形し、力を取り除くと元の形に戻る性質。熱を加えて元に戻る形状記憶効果とは異なり、室温で元の形状に戻ることができるのが特徴
注4. X線吸収分光法（XAS）：X線を物質に照射して、その物質の電子状態や局所構造を調べる手法。
注5. 第一原理計算（DFT）：量子力学に基づいて電子の状態を計算し、物質の性質を調べる手法。
注6. 金属ガラス：結晶構造が決まっている一般の金属に対し、ガラスのように特定の結晶構造をもたない金属。
注7. 高エントロピー合金：5種類以上の金属をそれぞれ同程度の濃度で混ぜて合金化した固溶体金属。それぞれの元素が結晶格子の中に無秩序に配置されることで、エントロピー（乱雑さ）が高い状態となる合金を指す。

論文情報

タイトル：Chemical interactions in Cu-Al-Mn shape-memory alloy during low- temperature aging treatment: XAS and DFT study
著者：Zheyuan Liang, Kakeru Ninomiya, Hiroshi Akamine, Sumio Kise, Minoru Nishida, *Maiko Nishibori
*責任著者　東北大学国際放射光イノベーション・スマート研究センター
教授　西堀　麻衣子
掲載誌：Journal of Alloys and Compounds
DOI：10.1016/j.jallcom.2025.180158

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学
国際放射光イノベーション・スマート研究センター
（兼）多元物質科学研究所
教授　西堀 麻衣子
TEL: 022-752-2346
Email: maiko.nishibori.d8*tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）
東北大学 国際放射光イノベーション・スマート研究センター 総務係
TEL: 022-752-2331
Email: sris-soumu*grp.tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）


東北大学は持続可能な開発目標（SDGs）を支援しています