電子状態計算に基づくフラーレンを中心とする炭素系新物質の物性解明と物質設計

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我々は密度汎関数理論に基づく、全エネルギー計算の手法、すなわち局所密度近似を用いて、フラーレンネットワークを構成単位とする新たな炭素ネットワーク実現の可能性を探索した。その結果、2次元C60ポリマー相に一軸性の圧力を印可することにより、ポリマー面間に新たな共有結合を形成した3次元C60ポリマー相が実現されることを見い出した。またこの相はエネルギー的に極小値を持つことから、圧力を解放した常圧下においても準安定相として存在しうることも明らかにした。さらに詳細な電子状態計算の結果から、この系の電子状態は金属的であり、そのフェルミレベルにおける状態密度は超伝導を示すK3C60化合物と同程度の大きさであることを明らかにした。すなわち、3次元C60ポリマーは炭素原子のみから構成される金属であり、高い超伝導転位温度が期待される。この金属的な状態の起源は、新たなボンド形成に伴う、C60クラスターの歪みにより、3配位サイトの炭素原子のsp3的な性質が増大させられたことによるものである。次に大きいフラーレン、C74,C78を用いた新たな炭素ネットワーク構築の可能性についても探索を行た。その結果、これらのフラーレンではC60よりも容易に重合反応が進行しポリマー構造をとる可能性が高いことを明らかにした。特に、C74は各々が蜂の巣格子状にならび、分子間に新たな共有結合を形成し、あたかも、C74から構成されるグラファイトのようなネットワークが準安定構造として存在する。このことは、フラーレンネットワーク物質をその階層性に着目して分類すると、新たな階層性をもつ炭素ネットワークの可能性を示したと言う点で非常に興味深い結果である。