Catch Key Points of a Paper ~0023~

論文のタイトル: New Solids Based on B12N12 Fullerenes

著者: J. M. Matxain, L. A. Eriksson, J. M. Mercero, X. Lopez, M. Piris, J. M. Ugalde, J. Poater, E. Matito, M. Solà

雑誌: Journal of Physical Chemistry C

巻: 第111巻, 第36号

出版年: 2007年

背景

1: 研究の背景

フラーレン発見後、同様の構造をもつBN化合物への関心が高まった

理論計算により安定なBN fullereneクラスターが予測された

実験的にもBN fullereneの合成が報告されている

2: 研究の目的 

B12N12 fullereneを基にした新規固体の理論的探索

B12N12一分子を単位とする固体構造の特性解明

3: 期待される成果

B12N12 fullereneを基にした新規ナノ多孔性固体の発見

この固体の電子構造、エネルギー的安定性、物性の予測

方法

1: 計算手法

密度汎関数理論 (DFT) を用いた第一原理計算

B12N12 fullerene二量体の構造と相互作用エネルギーを計算

2: 計算レベル

B3LYP、MPW1PW91の交換相関汎関数を使用  

原子軌道基底関数、有効内核疑ポテンシャルを適用

3: 固体状態計算

SIESTAコードを用いた周期的境界条件下での最適化計算

PBE汎関数、ノルム保存擬ポテンシャル使用

4: 解析手法  

構造最適化、結合エネルギー、電子構造、IR スペクトルを解析

結果

1: 二量体の安定構造

正方形同士が向かい合う構造 (S-S) が最安定

共有結合性二量体 (Cov) と van der Waals 性二量体 (VW) が存在

2: 二量体の相互作用エネルギー

CovS-S が最も安定 (B3LYP: -1.50 eV, MPW1PW91: -2.07 eV)  

VWS-S と VWH-H はそれより不安定

共有結合性二量体と分子間力で結合した二量体が共存 

3: 固体構造 

Cov 固体はナノ多孔質構造を形成、VW 固体は密な構造

Cov 固体の方が 12 eV 程度安定

共有結合性多孔質固体が最も安定

考察  

1: 二量体の安定性

N原子の非共有電子対とB原子の空軌道との相互作用が重要

正方形面どうしの方が六員環面よりも立体反発が小さい

2: 共有結合性二量体の形成

B-N結合距離の伸長により、モノマー構造を維持しつつ共有結合可能  

先行研究との一致: Batsanovらの実験により観測されたE-BN相の発見

3: ナノ多孔質固体の特徴  

表面積が大きく、分子吸着や触媒への応用が期待される

フラーレン固体と同様の構造を有する可能性

4: 固体の電子構造

Cov固体、VW固体ともに絶縁体的性質を示す

モノマーに比べバンドギャップは小さくなる  

5: 限界点

実験的合成の指針は得られていない

より大きな系への展開が必要

結論

B12N12 fullereneから新しいナノ多孔質固体が理論的に提案された

BNナノ構造体の合理設計につながる重要な知見が得られた

今後の展望

エネルギー的に安定で、分子吸着や触媒への応用が期待される

実験的検証と、さらなる大規模系への展開が今後の課題