ガラスにならない酸化アルミニウムを透明な非晶質の塊に

— 5配位ピラミッドと6配位八面体からなる超高密度構造と結晶を超える誘電率を高圧力で実現 —

2026.04.07

学校法人工学院大学
国立研究開発法人物質・材料研究機構 (NIMS)
国立大学法人京都大学
国立大学法人東海国立大学機構名古屋大学
日本電子株式会社
国立大学法人東北大学
国立大学法人島根大学
岡本硝子株式会社
国立研究開発法人科学技術振興機構 (JST)
J-PARCセンター
公益財団法人高輝度光科学研究センター

酸化アルミニウム（アルミナ）を、室温・超高圧でミリメートル級の高密度なガラス状材料として形成
硬さ・熱特性・電気特性を併せ持つ新非晶質材料として、電子・機械分野での材料選択肢拡大に期待
高圧による緻密化を通じて性質を調整できる可能性を示し、構造制御による材料設計指針を提案

工学院大学 (学長: 今村保忠、所在地: 東京都新宿区/八王子市) と物質・材料研究機構 (理事長: 宝野和博、所在地: 茨城県つくば市、以下「NIMS」) を中心とする研究チームは、京都大学、名古屋大学、日本電子株式会社、東北大学、島根大学、岡本硝子株式会社をはじめ、国内複数機関との共同研究により、従来「ガラスにならない」と考えられてきた単一成分酸化物である酸化アルミニウム(Al₂O₃、アルミナ)について、室温の高圧プロセスにより、ミリメートルサイズの透明な非晶質(アモルファス)の塊(バルク)を合成することに成功しました。得られた試料が、高い熱伝導率や硬さを示すことに加え、誘電率が約11.3と、代表的な結晶相であるα‐Al₂O₃(サファイア)の誘電率(約10)を上回ることを示しました。
アルミナは化学的安定性や絶縁性に優れることから、電子材料やコーティングなどで広く用いられ、産業分野を支えている基幹材料です。一方で、ガラス科学の観点ではアルミナはガラス形成能を持たず、通常の溶融法ではガラス状態のアルミナ(非晶質アルミナ)を塊として得ることができませんでした。
今回、研究チームは、電気化学的に作製した多孔質非晶質アルミナ薄膜(アルマイト)に対して、室温で高圧(9.4 GPa:9万4千気圧)を印加することで、粒子界面や孔を消失させ、透明なバルク体へと一体化させました。固体核磁気共鳴分光、放射光X線回折、中性子回折、構造モデリングを組み合わせた解析により、非晶質アルミナの主要構造単位が、八面体から酸素頂点が一つ欠けたような5配位ピラミッド(AlO₅)であること、加圧によってAlO₅の変形とAlO₆八面体の増加が進み、両者が稜共有で連結した、通常の非晶質には見られない高密度な構造が形成されることを明らかにしました。これにより、電場に対して応答しやすい局所構造が形成され、高い誘電率の発現につながるというモデルを提案しました。
本研究で示した「高圧力で、原子の配位環境(短距離構造)とその連結性(中距離構造)を制御し、物性を引き上げる」概念は、一般化できる可能性が高く、今後、誘電特性に加えて熱・機械特性を含む総合的な設計指針の確立を目指します。
本研究成果は、2026年4月7日に米国化学会「Journal of the American Chemical Society」に掲載されます。

図: 本研究で合成した透明バルク非晶質アルミナの誘電率と構造

掲載論文

題目 : Bulk Amorphous Alumina: The Density-Driven Interplay of Pentahedral Pyramids and Octahedra for High Dielectric Permittivity
著者 : Hideki Hashimoto, Yohei Onodera, Rei Okuno, Masashi Miyakawa, Hitoshi Yusa, Takashi Taniguchi, Sho Kakizawa, Shuya Sato, Takao Shimizu, Taro Kuwano, Takato Abe, Naoki Takata, Dasom Kim, Koji Yazawa, Kenzo Deguchi, Shinobu Ohki, Koji Kimoto, Shunsuke Shimizu, Yuto Okawara, Yuta Nishina, Aiko Shimada, Ryuichi Maekawa, Koji Ohara, Yuta Shuseki, Hidetoshi Morita, Tomoko Sato, Hiroyo Segawa, Hiroki Taniguchi, Atsunobu Masuno, Takeharu Yoshii, Koji Kawada, Toshinori Okura, Shinji Kohara
雑誌 : Journal of the American Chemical Society
DOI : 10.1021/jacs.5c22344
掲載日時 : 2026年4月7日