基盤科学への招待
クラスターの不思議
2005年6月3日
横浜市立大学 国際総合科学部
基盤科学コース 野々瀬真司
原子・分子の”集合体”(クラスター)の
科学
★ 自然界の全ての物質 … 気体・液体・固体の3態
…
★
気体中にある原子・分子
★
液体・固体中にある原子・分子
★
数個から数10個の原子・分子の”集合体”
★
大部分の自然現象
★
独立して空間を自由に飛びまわる
…
無数の個数で凝集し互いに強く結合
…
第4の状態(クラスター)
… ミクロの世界と日常世界との中間にある、
原子・分子の"集合体"のスケールでの現象
本講義では、この"集合体" (クラスター)の科学
について易しくお話いたします。
世界の根源をさぐる - 究極の謎
人間
1(m)
人間
1(m)
地球
107(m)
原子
10-10(m)
太陽系
1012(m)
原子核
10-15(m)
銀河系
1021(m)
素粒子
?(m)
宇宙の果て
1026 ?(m)
…
…
自然科学のもう一つの流れ
分析された要素を組み立て
日常世界を再構築
原子
10-10(m)
分子
10-9(m)
O
H
H
生体高分子
(タンパク質・DNA)
10-8(m)
細胞
10-5(m)
人間
1(m)
クラスターとは・・・
物質の3態
気体
液体
数個から数10個の原子・分子の
"集合体"(クラスター)とは
"第4"の状態
固体
化学結合と分子間力
+
-
- +
+ -
+
- +
e+
共有結合
イオン結合
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
金属結合
O
H
H
O
H
H
水素結合
ファンデルワールス力
金属の性質
伝導帯
エネルギーバンド
金属
自由に電子が動ける
絶縁体
電子は動けない
金属原子、クラスター、固体中の電子の挙動
孤立原子
クラスター
+
+
+
電子 e-
+
+
+
+
+
+
固体
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
金属クラスター中の電子の結合エネルギー
小さいクラスター
大きいクラスター
+
+
+
+
+
電子は個々の原子に局在
+
+
+
+
+
+
+
+
電子はクラスター全体に広がっている
♣ 水銀クラスターの電子構造
水銀原子 - 最外殻軌道 (6s)2(6p)0
- 準閉殻構造
水銀の液体・固体 - 価電子帯(s帯)と伝導帯(p帯)とは完全に混成
水銀2量体, Hg2の原子間の結合エネルギーは7kJ/mol
水銀液体の蒸発エンタルピーは58.1kJ/mol
⇨
⇨
ファンデルワールス結合
金属結合
水銀原子が何個集合すると電子構造が非金属から金属へと転移するのか?
実験
水銀クラスターのイオン化エネルギー
水銀クラスター負イオンの光電子分光
⇨
価電子帯と伝導帯との間のバンドギャップの測定
実験方法
1.真空中へ噴出させて
クラスターを生成
2.特定のサイズを
質量選別
3.レーザー照射による
反応を観察
高圧気体
e検出器
レーザー
真空排気装置
水銀クラスターのイオン化エネルギー
70
∞
非金属
から
金属へ
の遷移
金属
10
9
イオン化エネルギー(eV)
構成原子数
17 8
4
2
1
非金属
非金属
e-
Hg
Hg
Hg
8
金属
7
金属状態だと仮定
した場合の値
Hg
6
Hg
5
eHg
W.F.=4.49eV
4
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
クラスター半径[1/R(Å)]
0.5
0.6
K. Rademann,
Ber. Bunsenges. Phys. Chem.,
93, 653 (1989).
水銀クラスター負イオンの光電子分光
価電子帯
伝導帯
・構成原子数の増加に伴い、価電子帯と伝導帯との間の
バンドギャップが狭まる
・非金属から金属への転移は構成原子数が〜20個で
始まり、〜400個で完結
Cheshnovsky et al., Phys. Rev. Lett., 81, 3936 (1998).
♣ アルカリ金属クラスターの電子構造
Naクラスターの質量スペクトル。
n=8,20,40,58の強度が大きい。
電子構造が閉殻なクラスターが安定
(希ガス原子と類似)
Na40内の
価電子配置。
W. A. de Heer, Rev. Mod. Phys., 65, 611 (1993).
太陽系の元素の存在度と原子核の結合エネルギー
…中性子
…陽子
岩波講座・原子核の理論
市村、坂田、松柳著
カーボンナノチューブ
炭素クラスターとフラーレン
フラーレン
谷垣、菊地、阿知波、入山著
産業図書
炭素クラスターの生成
レーザー蒸発法による
炭素クラスター生成装置
炭素クラスターのマススペクトル
C60の固体NMRスペクトル
の温度変化
クラスターについてもっと詳しく知りたい人へ
1.Webラーニングプラザ 技術者Web学習システム
http://weblearningplaza.jst.go.jp の中にある
[クラスターサイエンスコース]
2.季刊化学総説38
マイクロクラスター科学の新展開
日本化学会編
3.新しいクラスターの科学 ナノサイエンスの基礎
菅野暁 近藤保 茅幸二 編著
講談社
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