(57)【要約】【課題】ガリウム以外の金属を多量に添加することなく、室温以下の温度で液体状態を長時間保持するように液体ガリウムの液体状態保持温度を低下させる方法および室温以下の温度で液体状態を長時間保持するガリウム組成物を提供する。【解決手段】液体ガリウムに平均粒径が１００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以下、さらに好ましくは２０ｎｍ以下、最も好ましくは１〜１０ｎｍ以下のシリカ微粒子を０．１質量％以上、好ましくは０．３〜２．０質量％、さらに好ましくは０．５〜１．５質量％、最も好ましくは０．５〜１．０質量％添加した後、超音波などによって分散させることにより、液体ガリウムの液体状態保持温度を低下させる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体ガリウムにシリカ微粒子を添加することにより、液体ガリウムの液体状態保持温度を低下させることを特徴とする、液体ガリウムの液体状態保持温度の低下方法。
【請求項２】
前記シリカ微粒子を前記液体ガリウムに添加した後に分散させることを特徴とする、請求項１に記載の液体ガリウムの液体状態保持温度の低下方法。
【請求項３】
前記シリカ微粒子の平均粒径が１００ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の液体ガリウムの液体状態保持温度の低下方法。
【請求項４】
前記シリカ微粒子の平均粒径が５０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の液体ガリウムの液体状態保持温度の低下方法。
【請求項５】
前記シリカ微粒子の添加量が０．１質量％以上であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の液体ガリウムの液体状態保持温度の低下方法。
【請求項６】
前記シリカ微粒子の添加量が０．３〜２．０質量％であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の液体ガリウムの液体状態保持温度の低下方法。
【請求項７】
ガリウムと、このガリウムに添加されたシリカ微粒子とからなることを特徴とする、ガリウム組成物。
【請求項８】
前記シリカ微粒子が前記ガリウムに分散していることを特徴とする、請求項７に記載のガリウム組成物。
【請求項９】
前記シリカ微粒子の平均粒径が１００ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項７または８に記載のガリウム組成物。
【請求項１０】
前記シリカ微粒子の平均粒径が５０ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項７または８に記載のガリウム組成物。
【請求項１１】
前記シリカ微粒子の添加量が０．１質量％以上であることを特徴とする、請求項７乃至１０のいずれかに記載のガリウム組成物。
【請求項１２】
前記シリカ微粒子の添加量が０．３〜２．０質量％であることを特徴とする、請求項７乃至１０のいずれかに記載のガリウム組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体ガリウムの液体状態保持温度の低下方法および液体状態保持温度を低下したガリウム組成物に関し、特に、室温以下の温度で液体状態を長時間保持するように液体ガリウムの液体状態保持温度を低下させる方法および室温以下の温度で液体状態を長時間保持するガリウム組成物に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、室温以下の温度で液体状態である液体金属として、水銀、アルカリ金属合金、ガリウム合金などが知られている。このような液体金属のうち、水銀やアルカリ金属合金は、電気伝導性および熱伝導性の良好な低融点の液体金属であり、様々なスイッチやセンサなどの導電性液体として使用されている。一方、ガリウム合金は、水銀やアルカリ金属合金と異なり、毒性や空気との反応性が低いため、さらに低い融点のガリウム合金を発見することにより、水銀やアルカリ金属合金の代替物として使用されることが期待されている。
【０００３】
このように水銀やアルカリ金属合金の代替物として使用可能なガリウム合金として、ガリウム−インジウム−錫−亜鉛合金（Ｇａ−Ｉｎ−Ｓｎ−Ｚｎ合金）に銀（Ａｇ）やアルミニウム（Ａｌ）を添加した合金（例えば、特許文献１参照）、Ｇａ−Ｉｎ−Ｓｎ合金にＡｇを添加した合金（例えば、特許文献２参照）、Ｇａ−Ｉｎ−Ｓｎ合金にＡｇやビスマス（Ｂｉ）を添加した合金（例えば、特許文献３参照）、Ｇａ−Ｉｎ合金にＺｎや銅（Ｃｕ）を添加した合金（例えば、特許文献４参照）などの様々なガリウム合金が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５０−１０１２０８号公報（第１頁）
【特許文献２】特開昭５９−１２３７３６号公報（第１頁）
【特許文献３】特開平８−５１００８２号公報（第７〜８頁）
【特許文献４】特開平１１−５０１３６５号公報（第４〜８頁）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これらの特許文献１〜４において提案されたガリウム合金は、いずれも２０〜３０質量％のインジウムを含む合金であり、その他にガリウムに可溶な金属を添加することによって、室温以下の温度で液体状態を保持することができるようにしている。しかし、ガリウム以外の金属を多量に添加することなく、室温以下の温度で液体状態を長時間保持するように液体ガリウムの液体状態保持温度を低下させる方法は知られていない。
【０００６】
ガリウムは、融点が２９．７℃、沸点が２２０４．０℃、固体密度が５．９１ｇ／ｃｍ３、液体密度が６．０９ｇ／ｃｍ３であり、広い温度範囲で液体状態を保持し、電気伝導率が高く、蒸気圧が低く、液体状態で水銀と同程度の流動特性を有するため、室温以下の温度で液体状態を長時間保持するように液体ガリウムの液体状態保持温度を低下させることができれば、水銀やアルカリ金属合金の代替物として使用することができるだけでなく、様々な用途に使用することが期待される。
【０００７】
したがって、本発明は、ガリウム以外の金属を多量に添加することなく、室温以下の温度で液体状態を長時間保持するように液体ガリウムの液体状態保持温度を低下させる方法および室温以下の温度で液体状態を長時間保持するガリウム組成物を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、液体ガリウムにシリカ微粒子を添加することにより、ガリウム以外の金属を多量に添加することなく、室温以下の温度で液体状態を長時間保持するように液体ガリウムの液体状態保持温度を低下させることができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明による液体ガリウムの液体状態保持温度の低下方法は、液体ガリウムにシリカ微粒子を添加することにより、液体ガリウムの液体状態保持温度を低下させることを特徴とする。この液体ガリウムの液体状態保持温度の低下方法において、シリカ微粒子を液体ガリウムに添加した後に分散させるのが好ましい。また、シリカ微粒子の平均粒径が１００ｎｍ以下であるのが好ましく、５０ｎｍ以下であるのがさらに好ましい。また、シリカ微粒子の添加量が０．１質量％以上であるのが好ましく、０．３〜２．０質量％であるのがさらに好ましい。
【００１０】
また、本発明によるガリウム組成物は、ガリウムと、このガリウムに添加されたシリカ微粒子とからなることを特徴とする。このガリウム組成物において、シリカ微粒子がガリウムに分散しているのが好ましい。また、シリカ微粒子の平均粒径が１００ｎｍ以下であるのが好ましく、５０ｎｍ以下であるのがさらに好ましい。また、シリカ微粒子の添加量が０．１質量％以上であるのが好ましく、０．３〜２．０質量％であるのがさらに好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ガリウム以外の金属を多量に添加することなく、室温以下の温度で液体状態を長時間保持するように液体ガリウムの液体状態保持温度を低下させる方法および室温以下の温度で液体状態を長時間保持するガリウム組成物を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明による液体ガリウムの液体状態保持温度の低下方法の実施の形態では、液体ガリウムに平均粒径が１００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以下、さらに好ましくは１〜２０ｎｍ、最も好ましくは５〜１０ｎｍのシリカ微粒子（シリカのナノ粒子）を０．１質量％以上、好ましくは０．３〜２．０質量％、さらに好ましくは０．５〜１．５質量％、最も好ましくは０．５〜１．０質量％添加した後、超音波などによって分散させることにより、液体ガリウムの液体状態保持温度を低下させて、液体ガリウムの液体状態を３〜４℃で１時間以上保持させることができる。また、このように３〜４℃で液体状態に保持された液体ガリウムを０．１℃／秒程度の冷却速度で冷却すると、液体ガリウムの液体状態を０℃付近でも保持させることができる。なお、このように液体ガリウムにシリカ微粒子を添加することによって液体ガリウムの液体状態保持温度を低下させることができるのは、ガリウム粒子の表面でシリカ微粒子がブラウン運動を行って凝固を妨げているためであると考えられる。
【００１３】
また、本発明によるガリウム組成物の実施の形態では、平均粒径が１００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以下、さらに好ましくは１〜２０ｎｍ、最も好ましくは５〜１０ｎｍのシリカ微粒子が０．１質量％以上、好ましくは０．３〜２．０質量％、さらに好ましくは０．５〜１．５質量％、最も好ましくは０．５〜１．０質量％になるようにガリウムに添加されて分散している。このガリウム組成物は、液体ガリウムの液体状態保持温度より低い温度で液体状態を保持することができ、３〜４℃でも１時間以上液体状態を保持することができる。このように３〜４℃で液体状態に保持されたガリウム組成物を０．１℃／秒程度の冷却速度で冷却すると、０℃付近でも液体状態を保持することができる。なお、本発明によるガリウム組成物中にシリカ微粒子が分散していることは、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって確認した。
【実施例】
【００１４】
以下、本発明による液体ガリウムの液体状態保持温度の低下方法の実施例について詳細に説明する。
【００１５】
［実施例１〜３］
まず、平均粒径５ｎｍのシリカ（ＳｉＯ２）微粒子を用意し、このシリカ微粒子をそれぞれ０．１質量％（実施例１）、０．５質量％（実施例２）および１．０質量％（実施例３）になるように液体ガリウム５ｇに添加した。次に、これらのシリカ微粒子を添加したそれぞれの液体ガリウムを超音波で１時間分散させた後、恒温室内に配置して８０℃で１日保持し、その後、８０℃で３０分間攪拌した後に冷蔵庫内に配置して３〜４℃で保持した。このようにして保持されたそれぞれの液体ガリウムの状態を観察したところ、実施例１では３日、実施例２では１２０日、実施例３では２９０日経過まで液体状態を保持していた。
【００１６】
［実施例４〜６］
平均粒径５ｎｍのシリカ微粒子の代わりに平均粒径１０ｎｍのシリカ微粒子をそれぞれ０．１質量％（実施例４）、０．５質量％（実施例５）および１．０質量％（実施例６）になるように液体ガリウム５ｇに添加した以外は、実施例１〜３と同様の処理を行った後に液体ガリウムの状態を観察したところ、実施例４では９日、実施例５では１２０日、実施例６では４００日以上経過しても液体状態を保持していた。
【００１７】
［実施例７〜９］
平均粒径５ｎｍのシリカ微粒子の代わりに平均粒径５０ｎｍのシリカ微粒子をそれぞれ０．１質量％（実施例７）、０．５質量％（実施例８）および１．０質量％（実施例９）になるように液体ガリウム５ｇに添加した以外は、実施例１〜３と同様の処理を行った後に液体ガリウムの状態を観察したところ、実施例７では９日、実施例８では１２０日、実施例９では２９０日経過まで液体状態を保持していた。
【００１８】
［実施例１０〜１２］
平均粒径５ｎｍのシリカ微粒子の代わりに平均粒径１００ｎｍのシリカ微粒子をそれぞれ０．１質量％（実施例１０）、０．５質量％（実施例１１）および１．０質量％（実施例１２）になるように液体ガリウム５ｇに添加した以外は、実施例１〜３と同様の処理を行った後に液体ガリウムの状態を観察したところ、実施例１０では７日、実施例１１では２日、実施例１２では１日経過しても液体状態を保持していた。
【００１９】
［比較例１］
シリカ微粒子を添加しなかった以外は、実施例１〜３と同様の処理を行った後に液体ガリウムの状態を観察したところ、１分間しか液体状態を保持することができず、凝固点は７．７℃であった。
【００２０】
［比較例２］
シリカ微粒子の代わりにニッケル（Ｎｉ）微粒子を２５質量％になるように液体ガリウム５ｇに添加した以外は、実施例１〜３と同様の処理を行った後に液体ガリウムの状態を観察したところ、１０分間しか液体状態を保持することができず、凝固点は３．３℃であった。
【００２１】
［比較例３］
シリカ微粒子の代わりにニッケル（Ｆｅ）微粒子を２５質量％になるように液体ガリウム５ｇに添加した以外は、実施例１〜３と同様の処理を行った後に液体ガリウムの状態を観察したところ、７分間しか液体状態を保持することができず、凝固点は３．３℃であった。
【００２２】
これらの実施例１〜１２および比較例１〜３の結果を表１に示す。
【００２３】
【表１】
2010070846.tif 000002
【００２４】
また、実施例１〜１２と同様の処理を行って３〜４℃で液体状態に保持されたそれぞれの液体ガリウムを０．１℃／秒程度の冷却速度で０℃付近までさらに冷却して、それぞれの液体ガリウムの状態を観察したところ、いずれも液体状態を保持していた。
【００２５】
これらの結果から、実施例１〜１２のように平均粒径１００ｎｍ以下のシリカ０．１質量％以上を液体ガリウムに添加することにより、液体ガリウムの液体状態保持温度を３〜４℃まで低下させることができ、さらに０℃付近まで低下させることができることわかった。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明による液体ガリウムの液体状態保持温度の低下方法によって、室温以下の温度で液体状態を長時間保持するように液体ガリウムの液体状態保持温度を低下させて、電気伝導性および熱伝導性の良好な液体状態保持温度が低い液体金属を得ることができ、水銀やアルカリ金属合金の代替物として、電気スイッチ、温度センサ、温度計、圧力センサ、圧力駆動スイッチのような様々なスイッチやセンサなどの導電性液体として使用可能な液体金属を得ることができる。