フラーレン生成機構の研究,特にStone-Wales転移の触媒探索

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11165222
• 研究機関: 豊橋技術科学大学
• 研究代表者: 大澤 映二 豊橋技術科学大学, 工学部, 教授 (40001763)
• 研究分担者: 栗田 典之 豊橋技術科学大学, 工学部, 助手 (40283501) ; 後藤 仁志 豊橋技術科学大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (60282042)
• キーワード: C_<60>生成機構 / 3次元螺旋ナノ粒子 / 多層フラーレン / 煤 / カーボンブラック / 電子線照射 / TEM / 生成自由エネルギー

研究概要

カーボンブラックへの高圧高電流密度電子線照射実験を行って、フラーレン生成機構に関する新事実を発見した。高エネルギー線照射によってまずカーボンブラックの微小粒子凝集構造が破壊されてナノメーターサイズの一次粒子が遊離するが、この際に一次粒子内部で黒鉛微結晶片のturbostratic集積と考えられていた乱れの大きな構造が、3次元的アルキメデス螺旋へと明瞭に変化する。更に照射を続けると3次元螺旋粒子は短時間で、よく知られた多層同心球構造(通称ロシア人形または炭素オニオン)へと変換する。
螺旋中間体の発見は、単層、多層フラーレンおよび煤の生成を統一的に理解するための強い手がかりを与えた。すなわち、成長の初期に一度だけ螺旋が巻いた時点で螺旋→オニオン変換が起こると単層黒鉛型炭素ナノ粒子となり、徐冷によって単層フラーレン(C_<60>、C_<70>あるいは高級フラーレン)へと変化するが、これはむしろ起こりにくく、一般には巨大な3次元螺旋一次粒子への前駆体へと、急速に一次粒子が成長すると考えられる。カーボンブラックのように、燃料過剰供給条件下高温で成長核と炭素小クラスターが同時に大量に生成しつづける場合には、一回螺旋の閉環速度に比べて螺旋成長速度が大きすぎると予想されるが、事実カーボンブラック製品には単層フラーレンは有意な量で含まれない。アーク放電法および燃焼法(ベンゼンとアルゴンなどの低圧予混合ガスの層流炎高温燃焼)でC60などの単層フラーレンが最高20%の収率で生成するのは拡散律速条件下で螺旋成長に必要な炭素小クラスターの供給が遅いためと解釈することができよう。
本年度は上に述べた新しい発見以外に過去2年に亘って行ったフラーレン生成機構研究のための基礎データとしてC100までの高級単層フラーレンの各温度における生成自由エネルギーの計算結果を纏めた(11研究発表参照)。

研究成果

• [文献書誌] Z.Slanina ほか3名: "Computations of IPR Isomers of C_<88> and C_<90>"Nanostruct.Mater.. (印刷中). (2001)
• [文献書誌] Z.Slanina ほか4名: "Computations of Metal-covered C_<60> and C_<70>"Comput.mater.Sci.. 18. 308-314 (2000)
• [文献書誌] Z.Slanina ほか3名: "Enthalpy-Entropy Interplay for C_<36> Cages : 33LYP/6-31G^* Calculations"J.Chem.Phys.. 113.12. 4933-4937 (2000)
• [文献書誌] F.Uhlik ほか2名: "Thermodynamic Properties of He@C_<60>"Fullerena Sci.Technol.. 8.445. 351-367 (2000)
• [文献書誌] Z.Slanina ほか3名: "A Computational Treatment of 35 IPR Isomer of C_<88>"Fullerena Sci.Technol.. 8.445. 433-447 (2000)
• [文献書誌] K.H.Lee ほか7名: "Structures and Energetics of Regioisomers of C_<60> Dimer and Trimers"J.Phys.Chem.. 104. 7038-7042 (2000)
• [文献書誌] Z.Slanina ほか3名: "Fullerenas-Chemistry, Physics,and Technology"Wiley-Interscience. 283-330 (2000)
• [文献書誌] 大澤映二: "カーボンナノチューブーナノデバイスへの挑戦"化学同人(京都). 47-50 (2001)