超ちょう原子げんし

超ちょう原子げんし (英語えいご: superatom) は、複数ふくすうの原子げんしが相互そうご作用さようにより凝縮ぎょうしゅくしたクラスター（塊かたまり）である。原子げんしの電子でんし状態じょうたいが持もつ性質せいしつのいくつかを示しめすように見みえる。

概要がいよう

例たとえば、ナトリウム原子げんしは気体きたい状態じょうたいで冷却れいきゃくされると、原子げんしの魔法まほう数すう（2, 8, 20, 40, 58 または 82）を選択せんたく的てきに含ふくみ自然しぜんにクラスターへと凝縮ぎょうしゅくする。これらの魔法まほう数すうの最初さいしょの2つは、s軌道きどうおよびp軌道きどうをそれぞれ満みたすのに必要ひつような電子でんしの数かずとして認識にんしきできる。超ちょう原子げんしのクラスター中ちゅうの自由じゆう電子でんしは、個々ここの原子げんしが単独たんどくで存在そんざいするよりもクラスターなど原子げんしの全集ぜんしゅう団だんによって定義ていぎされる新あたらしい一いち組くみの軌道きどうを占有せんゆうすることが示唆しさされる。球形きゅうけいでない、または異ことなる原子げんしを含ふくんだ（ドープされた）クラスターは、閉殻を形成けいせいする電子でんしの数かずのばらつきを示しめす。このポテンシャルは正ただし電荷でんかの原子核げんしかくの形態けいたいによって定義ていぎされる。このような新あたらしい電子でんし数すうの計数けいすうスキームを持もつ超ちょう原子げんしは、電子でんしが閉殻を形成けいせいするように化学かがく的まと振ぶる舞まいを示しめす傾向けいこうがある。それゆえ、全ちょん電子でんし殻からより1つだけ電子でんしが多おおい超ちょう原子げんしはアルカリ金属きんぞくのようにその電子でんしをすぐに放出ほうしゅつしやすく、全ぜん電子でんし殻からより1つだけ電子でんしが少すくない超ちょう原子げんしはハロゲンのように大おおきな電子でんし親和しんわ性せいを持もつ。

アルミニウムクラスター

特定とくていのアルミニウムクラスターは超ちょう原子げんしの性質せいしつを持もつ。これらのアルミニウムクラスターは、ヘリウムガス中ちゅうに陰かげイオン (Al_n^–、n = 1,2,3...) として生成せいせいされ、ヨウ素もとを含ふくんだ気体きたいと反応はんのうする。質量しつりょう分析ぶんせき器きで分析ぶんせきすると、この反応はんのうの主要しゅような生成せいせい物ぶつの1つはAl₁₃I^–に変化へんかする^[1]。余剰よじょうな電子でんしを持もつ13アルミニウム原子げんしのクラスターは、同おなじ気体きたいの流ながれの中なかに導入どうにゅうされたとき酸素さんそと反応はんのうしないようである。各かく原子げんしがその価あたい電子でんしを3つ自由じゆう化かすると仮定かていすると、これは40の電子でんしが存在そんざいすることを意味いみする。この電子でんし数すうは上述じょうじゅつのナトリウムの魔法まほう数すうの一ひとつであり、この数かずは希まれガスの反映はんえいであることを暗示あんじする。アルミニウムクラスター内ないの付加ふか的てきな電子でんしはヨウ素す原子げんしからちょうど反対はんたいに位置いちすることが計算けいさんによって示しめされる。それゆえ、このクラスターはヨウ素もとより高たかい電子でんし親和しんわ性せいを持もつはずであり、このためアルミニウムクラスターは超ちょうハロゲン (英語えいご: superhalogen) と呼よばれる。Al₁₃I^–イオン内ないのクラスターを構成こうせいする要素ようそは、ヨウ素すイオンか臭素しゅうそ原子げんしに類似るいじする。関連かんれんするAl₁₃I₂^–クラスターは三さんヨウ化物ばけものイオンに似にた化学かがく的てきな振ふる舞まいをすることが期待きたいされる。

同様どうように、魔法まほう数すうより2多おおい、42電子でんしのAl₁₄クラスターは、典型てんけい的てきに+2の原子げんし価か状態じょうたいに適応てきおうするアルカリ土ど類るい金属きんぞくの性質せいしつを示しめすように見みえる。これは少すくなくとも3つのヨウ素す原子げんしがAl₁₄^–クラスター、Al₁₄I₃^–に引ひきつけられているときにのみ起おこることが知しられている。陰かげイオンクラスターは総計そうけい43の遍歴へんれき電子でんし（あちこち巡回じゅんかいする電子でんし）を持もつが、3つのヨウ素す原子げんしはそれぞれ遍歴へんれき電子でんしの1つを取とり除のぞきジェリウム (en) 殻から内ないの40の電子でんしを保持ほじする^[2]^[3]。

2つの原子げんし間あいだの相互そうご作用さようはレナード-ジョーンズ・ポテンシャルによって良よく近似きんじできるため、不ふ活性かっせい気体きたい原子げんしの原子げんしクラスターをコンピュータ・シミュレーションによって研究けんきゅうすることは、特とくに簡単かんたんで信頼しんらいできる。他たの方法ほうほうについても利用りよう可能かのうであり、魔法まほう数すうが13, 19, 23, 26, 29, 32, 34, 43, 46, 49, 55などの超ちょう原子げんしについての計算けいさん方法ほうほうが確立かくりつされている^[4]。

アルミニウムクラスター

Al₇ : 性質せいしつはゲルマニウム原子げんしに類似るいじする。
Al₁₃ : 性質せいしつはハロゲン原子げんし、より詳くわしくは塩素えんそに類似るいじする。
- Al₁₃I_x^– (x = 1-13^[5])
Al₁₄ : 性質せいしつはアルカリ土ど類るい金属きんぞくに類似るいじする。
- Al₁₄I_x^– (x = 1-14^[5])
Al₂₃
Al₃₇

他たのクラスター

Li(HF)₃Li : (HF)₃内部ないぶで、Liから生しょうじる2つの価あたい電子でんしは一ひとつの原子げんしの原子核げんしかくであるかのように全ぜん分子ぶんしの軌道きどうを周回しゅうかいする^[6]。
VSi₁₆F : イオン結合けつごうを持もつ^[7]。
13の白金はっきん原子げんしのクラスター : 常つね磁性じせい体たいになる^[8]。
2000のルビジウム原子げんしのクラスター^[9]

脚注きゃくちゅう

^ 「Formation of Al13I-: Evidence for the Superhalogen Character of Al13」 D. E. Bergeron、A.W. Castleman Jr.、T. Morisato, S. N. Khanna サイエンス誌し Vol. 304、記事きじ 5667、84-87ページ、2004年ねん4月がつ2日にち Abstract MS spectra
^ Philip Ball、「A New Kind of Alchemy」、New Scientist誌し 2005年ねん4月がつ16日にち号ごう.
^ 「Al Cluster Superatoms as Halogens in Polyhalides and as Alkaline Earths in Iodide Salts」D. E. Bergeron、P. J. Roach、A.W. Castleman Jr.、N.O. Jones、S. N. Khanna サイエンス誌し、Vol 307、記事きじ 5707、231-235ページ、2005年ねん1月がつ14日にち Abstract MS spectrum
^ I. A. Harris 他た、Physical Review Letters. Vol. 53, 2390-94 (1984年ねん).
^ ^a ^b Naiche Owen Jones、2006年ねん.
^ Extraordinary superatom containing double shell nucleus: Li(HF)3Li connected mainly by intermolecular interactions, Sun, Xiao-Ying、Li, Zhi-Ru、Wu, Di、Sun, Chia-Chung、2007年ねん.
^ Electronic and geometric stabilities of clusters with transition metal encapsulated by silicon, Kiichirou Koyasu 他た
^ Platinum nanoclusters go magnetic、nanotechweb.org、2007年ねん
^ Ultra Cold Trap Yields Superatom、NIST、1995年ねん

外部がいぶリンク

「Designer Magnetic Superatoms」, J.U. Reveles 他た、2009年ねん
「Multiple Valence Superatoms」, J.U. Reveles、S.N. Khanna、P.J. Roach、A.W. Castleman Jr.、2006年ねん
On the Aluminum Cluster Superatoms acting as Halogens and Alkaline-earth Metals、Bergeron, Dennis E 他た, 2006年ねん
「Beyond The Periodic Table」、Computational Chemistry Portal、2006年ねん
「Expanding the periodic table?」 The Scientist, 2005年ねん
「Clusters of Aluminum Atoms Found to Have Properties of Other Elements Reveal a New Form of Chemistry」、innovations report、2005年ねん. Al₁₄の図ずあり.
「Clusters of Aluminum Atoms Found to Have Properties of Other Elements Reveal a New Form of Chemistry」、Penn State, Eberly College of Science、2005年ねん
「Research Reveals Halogen Characteristics」 innovations report、2004年ねん. Al₁₃の図ずあり.

[bergeron/2004-1] 「Formation of Al13I-: Evidence for the Superhalogen Character of Al13」 D. E. Bergeron、A.W. Castleman Jr.、T. Morisato, S. N. Khanna サイエンス誌し Vol. 304、記事きじ 5667、84-87ページ、2004年ねん4月がつ2日にち Abstract MS spectra

[ball-2] Philip Ball、「A New Kind of Alchemy」、New Scientist誌し 2005年ねん4月がつ16日にち号ごう.

[bergeron/2005-3] 「Al Cluster Superatoms as Halogens in Polyhalides and as Alkaline Earths in Iodide Salts」D. E. Bergeron、P. J. Roach、A.W. Castleman Jr.、N.O. Jones、S. N. Khanna サイエンス誌し、Vol 307、記事きじ 5707、231-235ページ、2005年ねん1月がつ14日にち Abstract MS spectrum

[4] I. A. Harris 他た、Physical Review Letters. Vol. 53, 2390-94 (1984年ねん).

[N.O.Jones-5] Naiche Owen Jones、2006年ねん.

[6] Extraordinary superatom containing double shell nucleus: Li(HF)3Li connected mainly by intermolecular interactions, Sun, Xiao-Ying、Li, Zhi-Ru、Wu, Di、Sun, Chia-Chung、2007年ねん.

[7] Electronic and geometric stabilities of clusters with transition metal encapsulated by silicon, Kiichirou Koyasu 他た

[8] Platinum nanoclusters go magnetic、nanotechweb.org、2007年ねん

[9] Ultra Cold Trap Yields Superatom、NIST、1995年ねん

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

概要がいよう

アルミニウムクラスター

アルミニウムクラスター

他たのクラスター

脚注きゃくちゅう

関連かんれん項目こうもく

外部がいぶリンク