アパタイト型物質のフォトクロミズムとマグネシウム置換の影響

アパタイトは鉱物の一種で、多様な化学組成をもつことができます。さらに化学組成を調整して人工的に合成することができます。化学組成によってさまざまな特徴的な性質を示し、多様な用途が期待されています。例えば人工骨の原料になり、大きく結晶化させれば宝石になり、また燃料電池の部材としての応用が検討されていたりします。昨年、竹本研究室で重要な発見がありました。それは、ある化学組成のアパタイトが紫外線やX線を当てると、オレンジ色に着色し、加熱すると脱色して元の白色に色が戻るという現象です。この光の作用によって着色する現象のことを「フォトクロミズム」といいます。アパタイトにおけるこのフォトクロミズムの再現性の確認と、なぜアパタイトがフォトクロミズムを示すのか、この研究ではそれらの謎に迫りました。

予備的な実験を繰り返し、アパタイト型物質のある特定の元素をマグネシウムで置き換えるとフォトクロミズム特性に変化を生じさせることができるとの感触が得られ、本格的にマグネシウム置換の影響を調べることにしました。試料はゾル-ゲル法で合成しました。マグネシウムイオンなど種々の金属イオンを含む水溶液とオルトケイ酸エチルを混合し、反応させることによってゾル状の液体が得られ、これを加熱してさらに反応を進めることによってゲル化させました。最終的に高温で加熱して有機成分を除去、さらに反応させて目的組成の資料を合成しました。

研究成果の公表を控えており、詳細は明らかにできませんが、概ね次のような結果が得られました。
得られた試料に紫外線やX線を照射したところ、いずれも白色からオレンジ色への変化が観察されました。昨年に引き続き同様の結果が得られたことから、このフォトクロミズムは再現性のある現象であることが確認されました。これまで青色やピンク色のフォトクロミズムを示すアパタイトは知られていましたが、オレンジ色への着色が発見されたのはおそらく世界で初めてではないかと思います。
マグネシウムで置換するとある量まではフォトクロミズムによる着色の強度が増大し、その量を超えると逆に減少するという結果が得られました。そもそもフォトクロミズムによる着色は永続的なものではなく、室温で放置していると自然に脱色していくのが普通です。本研究で合成したアパタイト型物質も同じですが、マグネシウムで置換することによって、自然脱色の速度が速まることが分かりました。つまり、マグネシウム置換によってフォトクロミズムは増強されますが、自然脱色の速度も速まるため、両者の釣り合いによって、ある量のマグネシウム置換量で着色強度が最大となると結論付けました。
紫外線やX線は有害なものですが、目に見えません。このようなフォトクロミズムを示す物質を使えば色が変わり、紫外線やX線の存在を可視化することができます。アパタイト型物質は比較的安定な物質なので、このようなセンサーへの応用も期待されます。