平成24年5月7日
独立行政法人日本原子力研究開発機構
大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構
J-PARCセンター
国立大学法人広島大学
独立行政法人日本原子力研究開発機構（理事長 鈴木篤之。以下「原子力機構」という。）の研究グループは、大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構（機構長 鈴木厚人。以下「KEK」という。）、原子力機構とKEKの共同運営組織であるJ-PARCセンター（センター長事務取扱 永宮正治）、国立大学法人広島大学（学長 浅原利正。以下「広大」という。）、国立大学法人東京大学（総長 濱田純一。以下「東大」という。）、ケンブリッジ大学（英国）と共同で、希土類金属（レアアースメタル）（注1）の水素化物の結晶構造を、J-PARC（注2）の大強度中性子線と大型放射光施設SPring-8（注3）の高輝度放射光X線を用いて解明しました。その結果、これまでに報告されていなかった岩塩（NaCl）構造をもつ希土類金属の1水素化物（LaH）の存在を世界で初めて観測しました。
希少金属である希土類金属は水素との親和性が極めて高く、水素を多量に吸収して水素との化合物（水素化物）を形成することが知られています。吸収された水素原子は金属格子の隙間を占有しますが、隙間には金属原子が四面体の頂点に配置したサイトと八面体の頂点に配置したサイトの2種類があります。水素原子は初めに四面体サイトのみを占有して2水素化物を形成し、さらに八面体サイトを占有し金属格子の隙間が飽和した3水素化物を形成します。八面体サイトのみが水素で占有された１水素化物は遷移金属（注4）ではよく知られていますが、希土類金属では報告されていませんでした。
研究グループでは、代表的な希土類金属であるランタン（La）の2水素化物（LaH2）が10万気圧を超える圧力下で、高水素濃度と低水素濃度の2種類の状態に分かれることを見出していました。今回、大強度陽子加速器施設J-PARCの物質・生命科学実験施設において水素(H)を重水素（D）に置き換えた2水素化物（LaD2）の中性子回折実験を高圧力下で実施し、3水素化物（LaD3）に近い水素化物と低重水素濃度の1水素化物（LaD）の形成を初めて観測しました。LaDは八面体サイトのみが重水素原子で占有された岩塩（NaCl）構造をとっています。更に、その1水素化物（LaH/LaD）が高圧力下で安定に存在できることを第一原理計算（注5）によって示しました。
今回の発見によって、希土類金属は全ての金属の中で唯一、1水素化物、2水素化物および3水素化物という3つの状態を形成し、それらの金属格子構造が全て面心立方構造であることが示されました。希土類金属は高水素親和性のため水素貯蔵材料の構成元素として広く利用されており、今後、水素化物中の水素と金属の結合状態を詳細に調べることにより、水素と金属の相互作用の解明がされ、さらには高濃度の水素を吸収する希土類合金の開発指針が得られるものと期待されます。
この研究成果は、原子力機構 町田晃彦 副主任研究員、本田充紀 特定課題推進員（現、物質・材料研究機構 ポスドク研究員）、服部高典 副主任研究員、佐野亜沙美 研究員、綿貫徹 副主任研究員、片山芳則 研究主席、青木勝敏 特定課題推進員（現、東北大学 客員研究員）、J-PARCセンター 有馬寛 任期付研究員（現、東北大学 助教）、鈴谷賢太郎 研究主幹、KEK 大下英敏 特任助教、池田一貴 特任准教授、大友季哉 教授、広大 坪田雅己 特任助教 （平成22年3月まで）、土居光一氏、市川貴之 准教授、小島由継 教授、東大 小松一生 准教授、ケンブリッジ大学 Duck Young Kim博士（現、カーネギー研究所（米国））との共同研究によるもので、その一部は新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の水素貯蔵材料先端基盤研究事業「水素と材料の相互作用の実験的解明」の委託を受け、J-PARCおよびSPring-8の利用研究課題として行われました。
本研究成果は、5月8日に米国科学雑誌『Physical Review Letters』のオンライン版に掲載される予定です。
以上