最小のサッカーボール分子が作る魔法のシート

みなさんは、レゴブロックで遊んだことがありますか？小さなブロックをつなげて、大きな家や乗り物を作ることができますよね。科学者たちは、とても小さな炭素（カーボン）のブロックを使って、すごい性質を持つ薄いシートを作る方法を見つけました！

この研究では、C24という名前の、サッカーボールのような形をした小さな分子を使います。この分子は、サッカーボールのような形をしたフラーレンという分子の仲間で、今まで作られた中で最も小さいものなんです。科学者たちは、このミニサッカーボール分子をたくさんつなげて、紙のように薄い2次元ネットワークを作りました。

小さなサッカーボール分子って何？

炭素原子は、世界中のあらゆるところに存在しています。みんなの体の中にも、鉛筆の芯にも、ダイヤモンドにも炭素が入っています。炭素原子は、いろいろな形に組み合わさることができるのです。

フラーレンは、炭素原子がサッカーボールのような形に組み合わさったものです。有名なのはC60という60個の炭素原子からできた分子ですが、この研究では、その半分以下の大きさのC24という24個の炭素原子でできた小さなフラーレンを使いました。

C24は、まるで小さな子供用のサッカーボールのようなものです。大人用のサッカーボール（C60）と比べると、ずっと小さいけれど、同じようにボール形をしています。

小さなサッカーボールが手をつなぐと？

科学者たちは、これらの小さなサッカーボール分子（C24）を手をつないだ子供たちのように並べました。分子同士が共有結合という強いきずなでつながることで、とても薄いシートができあがりました。

この研究では、qTPとqHPという2種類のシートを作りました。qTPは分子が四角形のような形で規則正しく並んだもの、qHPは少し複雑に並んだものです。どちらも、分子と分子の間に3つの強い結合ができていました。

実験の結果、C24で作ったシートは、C60で作ったシートよりもずっと安定していることがわかりました。これは、小さな子供たちが手をしっかりと握りあっているような状態で、大きな子供たちよりも密集して強くつながっているからです。

図1：C24分子が作る2つの異なるネットワーク構造

図1の説明： 上の部分は、qTPとqHPという2種類のC24シートの形です。小さなサッカーボール分子がどのようにつながっているかがわかります。中央と下の部分は、分子間の結合の強さを色で示しています。赤い部分は電子が多く、結合が強いことを示しています。

このシートはとても頑丈！

科学者たちは、C24で作ったシートがどれくらい頑丈なのか調べました。まずは、フォノンという分子の振動を調べました。フォノンは、分子がどのように揺れ動くかを表すもので、マラカスのように振ると音が出る楽器を想像するとわかりやすいです。

調べた結果、C24シートにはイマジナリフォノン（実在しない振動）がなく、これは分子が安定した位置にあることを意味します。つまり、風が吹いても倒れないようなしっかりした家のようなものです。

また、このシートの弾性（伸びたり縮んだりする性質）も調べました。C24シートはC60シートの約1.5倍も強いことがわかりました。これは、小さなレゴブロックがぎっしり詰まって作られた壁のほうが、大きなブロックで作られた壁よりも強いのと似ています。

図2と3：C24シートの安定性を示すグラフ

図2と3の説明： 図2は温度が変わっても、C24シートが安定していることを示すグラフです。図3は分子の振動（フォノン）を示すもので、すべての振動が実在することから、シートが安定していることがわかります。

太陽の光で水から水素を作る魔法のシート

C24シートのもう一つのすごい特徴は、光触媒（こうしょくばい）として働くことです。光触媒とは、太陽の光を使ってエネルギーを生み出す材料のことです。

水分子（H2O）は、水素（H）と酸素（O）からできていますが、普通は簡単に分けることができません。でも、C24シートに太陽の光が当たると、水を分解して水素を作ることができるんです！水素は将来のクリーンエネルギーとして、車や発電に使える可能性があります。

これがどうやって起こるのかというと、C24シートには電子と正孔（電子の抜けた穴）が生まれます。この電子と正孔が、水を分解するための「はしご」のような役割をするんです。

光の橋を渡る電子たち

C24シートが光触媒として働くには、バンドギャップという特別な性質が重要です。バンドギャップは、電子が川を渡るためのジャンプ台のようなものです。川（ギャップ）が広すぎても狭すぎても、電子はうまく渡れません。

科学者たちの計算によると、C24シートのバンドギャップは酸化チタン（TiO2・光触媒としてよく使われる材料）と同じくらいで、水分解に最適な大きさでした！これは、子どもがちょうど飛び越えられる幅の小川のようなものです。

図4と5：C24シートの電子構造

図4と5の説明： 図4はC24シートのバンド構造（電子が持つことができるエネルギー）を示しています。図5は最も高いエネルギーを持つ電子（VBM）と最も低いエネルギーを持つ電子の穴（CBM）がどこにあるかを示しています。電子と電子の穴は分子の表面にあり、水と反応しやすい位置にあります。

C24シートは太陽の光をたくさん吸収！

光触媒として重要なのは、太陽の光をどれだけ吸収できるかということです。C24シートは、太陽の光をとてもよく吸収することがわかりました。これは、太陽の光の粒（光子）が当たると、エキシトンという電子と正孔のペアがたくさん作られるからです。

エキシトンは、電子と正孔がダンスするカップルのようなものです。C24シートでは、このダンスがとても活発に行われます。それによって、太陽の光のエネルギーをしっかりキャッチすることができるんです！

図6と7：C24シートの光吸収特性

図6と7の説明： 図6はC24シートのバンドエッジ（電子が水を分解できるエネルギーレベル）を示しています。紫色と青色の部分が水分解に必要なエネルギーレベルを満たしていることがわかります。図7は太陽の光をどれだけ吸収するかを示すグラフで、緑～青の部分はC24シートが太陽光をよく吸収することを示しています。

水素を作るための特別な場所がたくさん！

C24シートには、水を分解して水素を作るための活性サイトがたくさんあります。活性サイトとは、化学反応が起こりやすい特別な場所のことで、遊園地の乗り物の待機列のようなものです。

科学者たちの計算によると、C24シートの活性サイトは、C60シートの3倍以上もあることがわかりました！これは、小さな子供用のブランコが並んだ公園のほうが、大きな子供用のブランコだけがある公園よりも、同じ広さでより多くの子供が遊べるのと似ています。

また、C24シートは、pH（酸性・アルカリ性の度合い）が変わっても活性サイトが働き続けるという利点もあります。これは、雨が降っても晴れでも楽しめる遊園地のようなものです！

図8：C24シートの活性サイトと反応過程

図8の説明： この図は、水分子から水素を作り出す反応過程を示しています。上の部分（a-d）は、反応のエネルギー変化を示すグラフです。灰色の線は光がない場合、青い線は光がある場合です。光があると反応が自然に進むことがわかります。中央（e, f）は、C24シートのどの場所で反応が起こるかを示しています。下の部分（g-j）は反応のメカニズムと活性サイトの数を示しています。C24シートはC60シートよりも多くの活性サイトを持っています。

この研究はなぜスゴイの？

この研究は、未来のエネルギーに関わる大事な発見です！科学者たちは、C24という小さなサッカーボール分子を使って、今までにない特性を持つ薄いシートを作りました。

このC24シートは：

1. とても安定しており、高温でも壊れにくい
2. 強度が高く、引っ張っても伸びにくい
3. 太陽の光を使って水から水素を効率よく作り出せる
4. 表面に活性サイトがたくさんあり、広いpH範囲で働ける

将来、このC24シートは、太陽の光を使って水から水素を生み出すクリーンエネルギー技術に役立つかもしれません。それによって、石油や石炭を使わない、地球にやさしいエネルギーの生産が可能になるかもしれないのです！

まとめ：この研究でわかったこと

1. C24という小さなフラーレン分子を使って、紙のように薄い2次元ネットワークを作ることができる。
2. このC24シートは、C60シートよりも安定性と強度が高い。
3. C24シートは、太陽の光を吸収して水分解に最適なバンドギャップを持っている。
4. C24シートは太陽の光をよく吸収し、エキシトン（電子と正孔のペア）をたくさん作る。
5. C24シートには水を分解するための活性サイトがC60シートの3倍以上ある。
6. C24シートは広いpH範囲で水素発生反応を促進できる。

原論文の引用情報

Wu, J., & Peng, B. (2024). Smallest [5,6]Fullerene as Building Blocks for 2D Networks with Superior Stability and Enhanced Photocatalytic Performance. Journal of the American Chemical Society, Published online November 19, 2024. https://doi.org/10.1021/jacs.4c13167