東工大,Gaの金属クラスターで超原子を合成

東京工業大学の研究グループは,数原子からなるガリウム(Ga)の金属クラスターを有機高分子であるデンドリマーを用いて合成し,それが超原子と呼ばれる特殊なクラスターになることを見出した(ニュースリリース)。

物質の新しい構成単位として「超原子」が注目されている。超原子は元素に似た電子軌道を作り出せる金属クラスターで,構成する原子の種類や組成により性質が変化するため,構造をデザインすることで様々な元素の性質を人工的に作り出すことができるとされている。

このような元素を設計できる超原子は,レアメタルの代替のみならず,現在の周期表では表せない新元素も作り出せる可能性があるとして期待されている新しい物質群となる。

しかし,こうした超原子の合成はこれまで気相系での極微量合成が主だった。そのため,素材として利用するには量合成やクラスターの組成を制御した手法が必要とされていた。

研究グループは樹状高分子であるデンドリマーを用いてガリウムクラスターを合成することで,ハロゲン超原子の液相での合成に成功した。樹状高分子であるフェニルアゾメチンデンドリマーに塩化ガリウムを集積し,これを還元することで13個や3個などガリウムの原子数を精密に規定した金属クラスターを合成した。

得られたクラスターの特性を調べた結果,ガリウムの性質が1nm程度のクラスターにすることで劇的に変化することが分かった。なかでも13個のガリウム原子からなる金属クラスター(Ga13)が,ハロゲンに似た性質を持つことを酸化還元特性やクラスターの硬さから実証した。

研究グループはこれまでに,アルミニウムクラスターの超原子を合成し,その物性について明らかにしてきた。今回はガリウムを用いることで新たな超原子への展開に成功した。

超原子は設計次第で,安価な元素から希少元素の特性を生み出せるとされている。それを実現していくには数個の金属元素を精密に組み上げる必要があるという。今回の研究ではガリウムを用いたが,別の元素でも超原子を作ることは可能であり,また合金化することでその可能性はさらに広がるとしている。

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