ネオジム（Nd）

ネオジム（Nd）はランタノイドに属する希土類元素であり、とくに Nd–Fe–B 永久磁石の中核元素として電動化・再生可能エネルギー・電子機器の性能を左右する材料要素である。材料科学としては「元素そのものの物性」だけでなく、鉱石中で他の希土類と共存することに起因する分離精製の難しさ、酸化物・フッ化物・金属・合金の相互変換、そして資源供給リスクとリサイクル技術が一体で議論される点が本質である。

参考ドキュメント

• Royal Society of Chemistry（RSC）Periodic Table: Neodymium（基本物性・概要） https://periodic-table.rsc.org/element/60/neodymium
• USGS: Mineral Commodity Summaries 2025 / Rare Earths（レアアース需給・産業動向） https://pubs.usgs.gov/periodicals/mcs2025/mcs2025-rare-earths.pdf
• NEDO（日本語）：「部素材からのレアアース分離精製技術開発事業」（中間評価）（国内動向・リサイクル関連の背景） https://www.nedo.go.jp/content/800029037.pdf

1. 基本情報

項目	内容
元素名	ネオジム
元素記号 / 原子番号	Nd / 60
標準原子量	144.242
族 / 周期 / ブロック	ランタノイド / 第6周期 / fブロック
電子配置	$[\mathrm{Xe}]4f^{4}6s^2$
常温常圧での状態	固体（金属）
常温の結晶構造（代表）	六方最密充填（室温付近の金属Ndでよく記述される）
代表的な酸化数	$0,+3$（化学では $+3$ が支配的、条件により $+2$ なども議論される）
代表的イオン対（溶液化学）	${\mathrm{Nd}}^{3+}$（水溶液・溶媒抽出で支配的）
主要同位体（研究上重要）	${}^{142}\mathrm{Nd},{}^{143}\mathrm{Nd},{}^{145}\mathrm{Nd},{}^{146}\mathrm{Nd},{}^{148}\mathrm{Nd}$（安定同位体群）、${}^{143}\mathrm{Nd}{/}^{144}\mathrm{Nd}$（地球化学の同位体系で重要）
代表的工業形態	Nd–Fe–B磁石（NdPr系として流通する場合もある）、${\mathrm{Nd}}_2{\mathrm{O}}_3$、${\mathrm{NdF}}_3$、Nd添加合金、Nd添加ガラス、Nd:YAG などNd添加レーザー材料

• 補足（設計可能性の要点）
  • Nd は「強い磁気異方性を与える希土類」として Nd–Fe–B 系永久磁石を成立させる中心元素である。磁石特性は Nd の量だけで決まるのではなく、微細組織（Ndリッチ粒界相、主相 ${\mathrm{Nd}}_2{\mathrm{Fe}}_{14}\mathrm{B}$ 粒の配向、添加元素）と熱処理履歴に強く依存する。
  • 一方で Nd は単独鉱床として採れるのではなく、モナザイトやバストネサイト等で複数の希土類と共存するため、「Ndを得る技術」は分離精製（溶媒抽出など）の工学と不可分である。
  • したがって Nd は、材料物性（磁性・光学）と資源・精製・循環（供給網）を同時に学ぶ題材になりやすい。

2. 歴史

• 発見と分離（ランタノイド化学の成熟）

  • ネオジムは19世紀末、希土類混合物の分別が進む中で「既知元素と思われていた混合物を分けた結果として」同定された元素群に属する。
  • この背景には、ランタノイドが化学的に似通い、微妙な差でしか分離できないという本質がある。Nd の歴史は、そのまま希土類分離技術の歴史でもある。

• 永久磁石の時代（Nd–Fe–Bの登場）

  • Nd の産業的位置づけを決定づけたのは、Nd–Fe–B 永久磁石による高エネルギー積の実用化である。Sm–Co 系に比べて資源面・コスト面で有利になり得る一方、耐食性・耐熱性（保磁力の温度依存）や加工・表面処理が重要課題となった。
  • その後、電動化（EVモータ）、風力発電、家電・産業機器の高効率化により Nd 系磁石需要が拡大し、「材料開発」と「資源供給」が同じ議題として扱われる場面が増えた。

• 現代（重要鉱物・供給網・循環の同時最適化）

  • 近年の Nd を巡る議論は、資源偏在、精製工程の海外依存、環境負荷、リサイクル技術、代替磁石開発が同時に進む局面にある。
  • 日本でも、永久磁石の供給網強靱化やリサイクル技術支援がエネルギー安全保障・産業政策と結びついて整理されている（資源政策資料・白書等で言及がある）。

3. ネオジムを理解する

• 相変態（Ndの「相」：金属Nd・酸化物・フッ化物・合金の相平衡）

  • Nd は材料として「金属Nd」「酸化物 ${\mathrm{Nd}}_2{\mathrm{O}}_3$」「フッ化物 ${\mathrm{NdF}}_3$」「合金（Nd–Fe–B等）」が互いに変換される。鉄のような同素変態中心の議論とは異なり、Nd では酸化還元と塩化・フッ化などの化学形態変換が相当する骨格になる。
  • 精製・金属化では、希土類酸化物から金属Ndを得る際に、熱力学的に安定な ${\mathrm{Nd}}_2{\mathrm{O}}_3$ を直接還元しにくいという事情があり、フッ化物化や溶融塩電解などが重要になる。

• 磁性（Ndが担う役割：4f電子と磁気異方性）

  • Nd の 4f 電子は局在性が強く、結晶場とスピン–軌道相互作用により大きな磁気異方性を生みやすい。Nd–Fe–B 磁石では、主相 ${\mathrm{Nd}}_2{\mathrm{Fe}}_{14}\mathrm{B}$ の結晶磁気異方性が高いことが高保磁力・高エネルギー積に結びつく。
  • 実材料では、保磁力は「主相の異方性」だけでなく、Ndリッチ粒界相の連続性、欠陥、粒径、拡散処理（重希土類拡散など）に依存する。Nd は磁性の主役であると同時に、微細組織設計を成立させる化学成分でもある。

• 酸化還元（${\mathrm{Nd}}^{3+}$ と高い酸素親和性）

  • Nd は一般に $+3$ 価が支配的で、金属Ndは酸素や水分に対して反応性が高く、表面が酸化されやすい。
  • そのため Nd を含む磁石粉末や切削くず（スラッジ）は酸化しやすく、回収・再資源化では酸化状態の管理や、酸化物からの再金属化が中心課題となる。

• プロセス（希土類の分離精製：鉱石→混合希土→分離→Nd化合物→金属・合金）

  • Nd の供給は「採掘」だけでなく「分離精製」で律速されやすい。鉱石（モナザイト、バストネサイト等）から得た希土類混合物を、溶媒抽出などで多数段の分離を経て Nd を取り出す。
  • 国内外で、使用済み部材や廃磁石・スラッジを対象とした分離精製技術開発が進められている（NEDO事業資料等で、重希土類を含む磁石リサイクルや分離精製が扱われる）。

• 循環（磁石リサイクル：廃製品→回収→分離→再製品）

  • Nd の循環は「磁石の回収」「磁石中の希土類の取り出し」「再び磁石材料へ戻す」の連続で考える必要がある。
  • 例えば日本では、使用済みHDD等から Nd 磁石を回収する物理選別・破砕プロセスの研究例があり、磁石を高純度に濃縮する考え方が提示されている。また、磁石製造時の切削くず（スラッジ）を対象に、炭素熱還元法などを用いた回収の取り組みが企業から公表されている。

4. 小話

• Nd は「元素としては比較的ありふれている」が「供給は難しい」

  • Nd は地殻存在度の観点では極端に希少というより、ニッケルや銅に近い水準で広く分布すると説明されることがある。
  • しかし実際の供給は、鉱石中で希土類が混在し、分離精製が工程的・環境的に重いこと、さらに精製・磁石製造の地理的集中が起こりやすいことによって制約される。ここに「元素の存在量」と「供給の安定性」が一致しない難しさがある。

• Nd–Fe–B磁石はNdだけで完結しない

  • Nd 磁石は名称上はNdが前面に出るが、実体は ${\mathrm{Nd}}_2{\mathrm{Fe}}_{14}\mathrm{B}$ を主相とする複合材料であり、FeやB、さらに添加元素（例：Dy, Tb, Co, Cu, Ga 等）が機能を支える。
  • とくに耐熱性や高温での保磁力確保には重希土類（Dy, Tb）を併用する設計が多く、Ndの議論は重希土類の供給や拡散プロセスとも結びつく。

• Ndの色とスペクトル（光学材料としての顔）

  • Nd は $4f$–$4f$ 遷移に由来する鋭い吸収・発光線を持ち、Nd添加ガラスや Nd:YAG などのレーザー媒質として利用される。
  • ランタノイドの $4f$ 電子は局在的で、母材（結晶・ガラス）の影響を受けつつも比較的「線が鋭い」特性があり、分光学・光学材料で重要な題材である。

5. 地球化学・産状

5.1 主な鉱石・鉱物形態

• モナザイト（monazite）：リン酸塩鉱物（希土類を含む）
• バストネサイト（bastnäsite）：炭酸フッ化物系（軽希土類に富むことが多い）
• イオン吸着鉱：粘土鉱物表面に希土類イオンが吸着した形態（重希土類が相対的に多い場合がある）
• これらの鉱石は Nd 単独ではなく希土類の集合体として存在し、元素ごとの比率が鉱床タイプで変わる（JOGMECのマテリアルフロー資料等で整理がある）。

補足：

• Nd はランタノイドの一員として、地球化学的には「軽希土類（LREE）」側の挙動として扱われることが多い。
• 鉱床評価では Nd の含有率だけでなく、随伴するThなどの放射性元素、P・F・炭酸塩などの化学形態が採掘・処理・規制に影響する。

5.2 鉱床と地球史の接点

• 希土類元素は、火成活動・熱水活動・堆積作用により濃集するが、希土類は互いに性質が似ており、微妙な分別が鉱床の元素パターンとして残る。
• Nd は地球化学では同位体比（とくに ${}^{143}\mathrm{Nd}{/}^{144}\mathrm{Nd}$）が重要で、マントル–地殻の分化や年代学（Sm–Nd系）に用いられる。
  • 基本式として、${}^{147}\mathrm{Sm}$ の壊変により ${}^{143}\mathrm{Nd}$ が増える：
  $${}^{143}\mathrm{Nd}{=}^{143}{\mathrm{Nd}}_0{+}^{147}\mathrm{Sm}(e^{\lambda t}-1)$$ここで $\lambda$ は壊変定数、$t$ は時間である。実際には同位体比として測定し、地球化学的な指標（例：$\epsilon \mathrm{Nd}$）で議論する。

5.3 地球深部

• Nd 自体が地球核の主要成分になるわけではないが、Nd同位体系はマントル・地殻の進化史を推定する「追跡子」として機能する。
• この意味で Nd は、資源元素であると同時に「地球の時間発展を読む元素」でもある。

6. 採掘・製造・精錬・リサイクル

6.1 採掘・選鉱・前処理

• 希土類鉱石は、採掘後に破砕・粉砕・浮選などを経て精鉱化される。鉱床タイプにより前処理が異なり、モナザイトやバストネサイトでは焙焼・酸処理などで希土類を溶出可能な形に移す工程が議論される。
• 精鉱は希土類の混合物であり、以降の工程で元素ごとの分離が本体となる。

6.2 分離精製（溶媒抽出を中核とする多段分離）

• Nd は Pr, Sm など近接元素と化学的性質が近く、高純度化には多数段の分離操作が必要になりやすい。
• 工学的には、溶媒抽出における分配係数、抽出剤の選択性、相分離、段数設計が重要となる。ここが「希土類は資源というより分離技術で決まる」と言われる理由である。

6.3 金属化（酸化物・フッ化物から金属Ndへ）

• Nd の化学形態として酸化物 ${\mathrm{Nd}}_2{\mathrm{O}}_3$ は安定であり、単純な炭素還元で金属Ndを得るのは難しいことが多い。
• 工業的には、フッ化物化（例：${\mathrm{NdF}}_3$）を経て溶融塩電解や金属熱還元などが検討される。
  • 概念式の一例として、フッ化物の電解を
  $${\mathrm{NdF}}_3\to \mathrm{Nd}+\frac{3}{2}{\mathrm{F}}_2$$のように書くことがある（実際は溶融塩中での反応であり、電極反応と浴組成設計が支配する）。

6.4 Nd–Fe–B磁石の製造（合金→粉末→焼結/接着→熱処理→表面処理）

• 焼結磁石では、合金を粉砕して配向成形し焼結する工程で、主相粒の配向と粒界相の形成が磁気特性を規定する。
• Ndリッチ相は粒界に形成され、磁壁の伝播や逆磁区核生成に影響するため、微細組織制御が保磁力に直結する。
• 耐食性の観点から、めっきやコーティングが機能維持に重要である。

6.5 リサイクル（回収→分離→再資源化）

• 廃製品（HDD、モータ、家電等）から Nd 磁石を回収する手法として、物理選別（破砕・磁選・濃縮）を軸に高純度磁石粉末を得る考え方が提案されている（産総研の公表例では純度95%以上への濃縮が述べられている）。
• さらに、磁石製造工程由来の切削くず（スラッジ）から希土類を回収する取り組みが日本企業から公表されており、炭素熱還元法によって希土類をスラグ側へ回収し、鉄分も再利用できるという説明がある。
• 国内政策としても、永久磁石の供給網多様化・リサイクル技術開発の支援が整理されている（エネルギー関連白書等）。

7. 物理化学的性質・特徴

7.1 電子構造と金属結合

• Nd は $4f$ 電子が局在的で、結合は主に外側電子（$6s$ など）と伝導電子によって担われる一方、磁気・光学では $4f$ の寄与が中心となる。
• ランタノイドでは、結合に強く寄与する電子と、磁気・光学に寄与する電子が役割分担していると捉えると見通しが良い。

7.2 同素体と相変態

• Nd 金属の結晶構造は温度で変化し得るが、材料議論では「金属Nd」よりも「Ndを含む合金相（${\mathrm{Nd}}_2{\mathrm{Fe}}_{14}\mathrm{B}$ など）」「Ndリッチ相」「酸化物相」の相関係が重要になりやすい。
• Nd–Fe–B 系では、主相と粒界相の共存状態が磁気特性を決めるため、相平衡と拡散（粒界相の形成）が重要課題となる。

7.3 磁性

項目	内容	備考
Nd の磁性の本質	$4f$ 電子由来の大きな磁気異方性	結晶場＋スピン–軌道相互作用が効く
Nd–Fe–B磁石の主相	${\mathrm{Nd}}_2{\mathrm{Fe}}_{14}\mathrm{B}$	高い異方性と高磁化の両立が核
保磁力の支配因子	粒界相、粒径、欠陥、拡散処理	材料組織の影響が非常に大きい
高温特性	温度上昇で保磁力が低下しやすい	重希土類添加・拡散で改善する設計が多い

• 補足
  • Nd 磁石の議論では、単に「異方性が大きい」だけでなく、逆磁区がどこで核生成し、どこで止まるか（粒界の磁気的結合がどうなっているか）が決定的になる。
  • そのため、材料開発は結晶学・界面化学・粉末プロセス・表面工学が一体になりやすい。

7.4 熱物性・力学・輸送

項目	値（代表値）	備考
融点	1016 ℃	RSCの基本データとして整理される
沸点	3074 ℃	同上
密度	7.01 g cm${}^{-3}$	20 ℃付近の代表値として整理される

• 補足
  • Nd 金属は反応性が高く、粉末・薄片では酸化が進みやすい。磁石粉末の取り扱いでは、この化学的性質が工程設計（酸化防止、雰囲気制御）に影響する。
  • Nd–Fe–B 磁石の機械特性・耐食性は、主相の脆性、粒界相、コーティングの有無で大きく変化し、用途信頼性に直結する。

7.5 電気化学と腐食

• Nd は酸素親和性が高く、金属Ndは湿潤環境で酸化・水酸化が進みやすい。Nd–Fe–B 磁石でも、粒界相や欠陥から腐食が進展しやすく、表面処理が重要になる。
• 腐食挙動は合金組成、微細組織、コーティング、環境（塩化物、温湿度）に強く依存する。

7.6 酸化状態・錯体化学

• Nd の化学は $+3$ が中心であり、溶媒抽出・沈殿（シュウ酸塩など）・焼成による酸化物化など、分離精製プロセスの基礎は ${\mathrm{Nd}}^{3+}$ の溶液化学にある。
• 分離では「隣接ランタノイドとのわずかな差」を増幅する設計が必要になり、抽出剤の配位化学や溶媒和が重要となる。

7.7 拡散・欠陥・相平衡

• Nd–Fe–B 磁石では、粒界への元素偏析や拡散処理（粒界拡散）によって保磁力が変化する。
• 相平衡としては、主相 ${\mathrm{Nd}}_2{\mathrm{Fe}}_{14}\mathrm{B}$ の安定化、Ndリッチ相の連結性、酸化物生成の抑制が材料性能と結びつく。

7.8 同位体と分光

• Nd の同位体比（例：${}^{143}\mathrm{Nd}{/}^{144}\mathrm{Nd}$）は、Sm–Nd系年代学・地球化学トレーサとして重要である。
• 材料分野でも、Nd添加レーザー材料などでは分光特性が中心となり、$4f$–$4f$ 遷移の線スペクトルが研究対象になる。

8. 研究としての面白味

• 磁性と微細組織（粒界相が機能を決める）

  • Nd–Fe–B は「主相の結晶磁気異方性」という電子状態起源の性質を持ちつつ、最終特性は粒界相・欠陥・配向などの組織で決まる度合いが大きい。
  • したがって、第一原理計算、顕微解析、磁区観察、マイクロ磁気解析が相補的に効きやすく、因果の切り分けが研究テーマとして成立する。

• 分離精製の科学（わずかな差を工程にする）

  • Nd は化学的に似た元素群の中から取り出す必要があり、分離は熱力学と界面化学、プロセス設計の集約になる。
  • 「材料の性能」だけでなく「材料を得る技術」自体が研究対象になる点が、Nd を含む希土類の特徴である。

• 循環技術（回収から再製品化までの学際性）

  • Nd 磁石は回収対象が多様で、製品設計（解体容易性）、物理選別、化学精製、再合金化が連結する。
  • 日本でも、HDDなどからの磁石回収や、スラッジからの希土類回収の研究・実装が公表されており、研究が社会実装に直結しやすい領域になっている。

• 光学材料としてのNd（磁性とは別の顔）

  • Nd 添加レーザー材料は、磁石とは異なる価値軸（光学効率、熱レンズ、結晶品質）でNdの機能が現れる。
  • 同一元素が磁性と光学の両方で中心になる点は、ランタノイド学習の良い入口である。

9. 応用例

9.1 材料設計の軸

• 永久磁石：高エネルギー積・高保磁力・温度特性・耐食性

  • Nd–Fe–B 系では、保磁力の確保と温度特性改善が大きな設計課題であり、粒界相設計や添加元素設計が中心となる。
  • 同時に、資源面では Nd（およびPr）と重希土類の供給制約が設計条件になるため、重希土類使用量削減や代替設計も重要になる。

• リサイクル適合：回収容易性・酸化状態の制御・再資源化効率

  • 廃磁石やスラッジは酸化しやすく、回収物の状態（酸化物化の程度、混入元素）が再資源化手法を選ぶ。
  • 物理選別で磁石を濃縮してから化学工程へ渡す、あるいは工程内スクラップを優先的に戻すなど、回収源に応じた設計が必要になる。

• 光学：Nd添加レーザー材料（Nd:YAG等）

  • Nd の発光・吸収特性を利用し、固体レーザー媒質として幅広く利用される。
  • ここでは Nd の濃度、母材結晶の欠陥、熱伝導、励起条件が性能を左右する。

9.2 具体例

• 電動化：EV駆動モータ、産業用サーボ、家電の高効率モータ
  • 高出力密度・高効率化に永久磁石が重要であり、Nd系磁石は主要候補である。
• 再生可能エネルギー：風力発電の発電機
  • 高トルク・高効率化の要素として永久磁石の需要が結びつきやすい。
• 電子機器：スマートフォン、ヘッドホン、HDD、アクチュエータ
  • 小型強力磁石の需要が集中し、回収対象（都市鉱山）としても重要になる。
• 光学・加工：Nd添加固体レーザー
  • 加工・医療・計測など多用途で利用され、材料品質が性能を左右する。

10. 地政学・政策・規制

• 資源：供給集中と精製工程の偏在

  • Nd を含むレアアースは、採掘だけでなく分離精製・磁石製造の偏在が供給リスクを増幅しやすい。
  • USGS のレアアース統計資料では、米国の輸入や供給状況が整理され、供給網の脆弱性が議論されている。

• 日本の政策的整理：レアアース対策・永久磁石の供給網

  • 経済産業省はレアアース対策ページを設け、供給リスクへの耐性向上に向けた支援枠組みを整理している。
  • 資源エネルギー関連資料では、永久磁石の供給網多様化・リサイクル技術・次世代磁石開発への支援が述べられている。

• リサイクルと国内循環

  • Nd 磁石の国内循環は、回収（製品由来・工程スクラップ）、分離精製、再合金化・再製品化を国内に成立させることが狙いになる。
  • NEDO では、使用済み部材等からのレアアース分離精製技術を扱う事業があり、供給リスク低減と国内事業化を意識した説明がされている。

まとめと展望

ネオジム（Nd）は、Nd–Fe–B 永久磁石という形でエネルギー変換・電動化の中枢に入り込んだ希土類元素であり、材料物性（4f起源の異方性）と微細組織（粒界相設計）が同時に性能を決める点が核である。今後は、供給網の偏在と環境制約の下で、重希土類使用量の削減、廃磁石・工程スクラップの高効率回収、国内外での分離精製能力の拡充が並行して進むと見込まれる。加えて、磁石以外の光学材料としてのNdの価値も継続するため、Ndは「機能材料」と「資源・循環技術」が結びつく学際領域の中心元素であり続けるであろう。

参考文献

• Royal Society of Chemistry（RSC）Periodic Table: Neodymium https://periodic-table.rsc.org/element/60/neodymium
• USGS: Mineral Commodity Summaries 2025 — Rare Earths https://pubs.usgs.gov/periodicals/mcs2025/mcs2025-rare-earths.pdf
• NEDO（日本語）：「部素材からのレアアース分離精製技術開発事業」（中間評価） https://www.nedo.go.jp/content/800029037.pdf

その他参考にしたsources

• 経済産業省（日本語）：レアアース対策 https://www.meti.go.jp/policy/nonferrous_metal/rareearth/index.html
• 資源エネルギー庁（日本語）：エネルギー白書 2025（永久磁石・リサイクル支援の記述） https://www.enecho.meti.go.jp/about/whitepaper/2025/html/2-1-3.html
• JOGMEC（日本語）：鉱物資源マテリアルフロー 2021 7.レアアース（REE） https://mric.jogmec.go.jp/wp-content/uploads/2022/08/material_flow2021_REE.pdf
• JOGMEC（日本語）：レアアースの需給動向（講演資料） https://mric.jogmec.go.jp/wp-content/uploads/2023/04/mrseminar2023_01_03.pdf
• 産総研（日本語）：使用済みハードディスクドライブからネオジム磁石を回収（2011） https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2011/pr20110523/pr20110523.html
• Proterial（旧 日立金属）（日本語）：希土類磁石スラッジリサイクル関連プレスリリース（2014/2015） https://www.proterial.com/press/backnumber/2014/n0312.htmlhttps://www.proterial.com/press/backnumber/2015/n0723.html
• NEDO（日本語）：使用済み部素材などから重レアアースを分離精製する技術の開発に着手（2023） https://www.nedo.go.jp/news/press/AA5_101653.html
• METI（日本語）：令和4年度産業経済研究委託事業（我が国磁石産業の持続的発展に関する報告書） https://www.meti.go.jp/meti_lib/report/2022FY/000223.pdf