C70フラーレン

C70フラーレン：構造、発見、そして多様な性質

C70フラーレンは、70個の炭素原子が結合して構成されるフラーレン分子の一種です。その形状はラグビーボールを思わせ、25個の六角形と12個の五角形が組み合わさった構造をしています。よく知られるバックミンスターフラーレン（C60）と類似していますが、赤道部分に六角形が帯状に連なる点が異なります。

発見の歴史

C70フラーレンの意図的な合成は、1985年にライス大学のハロルド・クロトー、ジェームズ・ヒース、シーン・オブライエン、ロバート・カール、リチャード・スモーリーらによって初めて達成されました。彼らは、グラファイトにレーザーを照射することで炭素のプラズマを生成し、その中にC60やC70といったフラーレン分子が含まれていることを発見しました。この功績により、クロトー、カール、スモーリーの3名は1996年にノーベル化学賞を受賞しています。フラーレン分子の存在は、それ以前から理論的に予測されていましたが、実際に合成・確認されたのは彼らの研究が初めてでした。研究の当初目的は星間物質の再現でしたが、フラーレンの発見は、予期せぬ副産物だったと言えるでしょう。

当初は微量の合成でしたが、1990年、W・クレッチマーとD・R・ハフマンは、グラム、キログラム単位のフラーレンを効率的に合成できる手法を開発しました。この画期的な進歩により、フラーレン研究は飛躍的に発展することになります。この方法は、グラファイト電極間のアー放電によって炭素のすすを生成し、その中からフラーレンを抽出するものです。

C70フラーレンの性質

分子構造と結合: C70分子はD5h対称性を持ち、37個の面で構成されています。分子内の炭素原子間の結合長は、0.137 nmから0.146 nmの範囲で8種類存在し、各炭素原子は他の3つの炭素原子と共有結合しています。

電子状態と反応性: C70は可逆的な一電子還元を受け、C70⁻となりますが、酸化は不可逆的です。還元には約-1.0V（Fc/Fc+）の電位が必要であり、C70が電子受容体としての性質を持つことを示しています。

溶解性: C70はトルエンなどの芳香族溶媒や二硫化炭素にわずかに溶解しますが、水には不溶です。溶液は赤茶色を呈し、溶液からミリメートルサイズの結晶が成長します。

結晶構造: 固体状態では、ファンデルワールス力によって分子が強固に結合しています。室温では、単斜晶、六方晶、菱面体晶、面心立方晶といった複数の結晶構造が混在していますが、70℃以上では面心立方晶が安定な構造となります。これは、C70分子の回転の自由度と密接に関係しており、温度変化によって分子の配列と対称性が変化することを示しています。C70はバンドギャップが1.77 eVの茶色の結晶を形成し、大気中の酸素の拡散によってn型半導体となります。結晶構造中に存在する空洞にはアルカリ金属などの原子を取り込むことができ、それにより伝導性を高めることも可能です。

まとめ

C70フラーレンは、その特異な構造と性質から、様々な分野での応用が期待されています。特に、電子材料や光学材料としての可能性に注目が集まっており、今後の研究開発によって更なる進展が見込まれています。

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