マンガン置換によるソーダライト型物質の発色

マンガンは遷移金属元素の一種で、電池、磁石、合金などさまざまな用途があり、極めて有用性の高い元素の１つです。遷移金属元素は多様な酸化数を取ることができることが特徴として挙げられます。高校の化学の教科書ではMn^₂+の水溶液が薄い赤色、酸化マンガン（IV）MnO₂は過酸化水素水から酸素を発生させるときの触媒、過マンガン酸イオンMnO_4^-が酸化還元滴定で用いられることが紹介されています。これらの酸化状態を含め、マンガンはイオンの状態では+2から+7までの多様な酸化状態をとることができます。これだけ多くの種類の酸化状態をとることができる元素は、実はあまり多くありません。ところで、マンガンのこの多様な酸化状態はいずれも均等に実現するわけではありません。特に+5の酸化状態は非常に珍しいとされています。本研究で、ある化学組成のソーダライト型物質を合成したところ、水色に発色する物質が得られました。詳細な分析により、その物質が+5の酸化状態のマンガンを保持することを見出しました。

金属酸化物の粉末などを原料に用い、混合後、加熱して反応させるという方法で試料の合成を行いました。粉末X線回折法により得られた試料の結晶構造を確認しました。

合成した試料は右図に示すようにソーダライト型の構造を持つことが確認されました。合成した試料の写真を下に示します。左端の試料はMnを含まない試料で、それ以外はMnを含む試料です。Mnを含む試料はいずれも水色に着色しています。Mnは多様な酸化状態をとることができると上で記しましたが、酸化状態によってそれぞれ特徴的な色を示します。写真のような水色を示すのは+5の酸化状態であることが知られています。ソーダライト型物質が+5の酸化状態のマンガンを取り込むことが発見されたのは、おそらく世界で初めてのことと思われます。研究成果は近く公表される予定です。+5の酸化状態のマンガンを含む固体物質は水色の顔料としての用途が考えられ、また近赤外線の発光を示すので生体イメージング用の新素材として応用が見込まれます。