2010.12.16 サイエンスカフェ in 静岡

mmμm

nm

2

1 nm = 10-9 m H2O

ナノ (n)マイクロ (μ)ミリ (m)

0.15 nm

0.7 nm

10−9 = 0.000,000,001 “10億分の１”10−6 = 0.000,001 10−3 = 0.001

2 nm

C60

DNA

ピコ (p) 10−12 = 0.000,000,000,001

地球

角砂糖

約13,000 km

1 cm

:

3

“クラスター” ＝ 数個から数千個の原子（分子）で構成された集合体

…10 100 1,000 ∞凝縮相

クラスタークラスター

100 10

ナノ粒子ナノ粒子（超微粒子）（超微粒子） 固体・液体

構成原子数 n （サイズ）

粒径 / nm

1

原子

55量体20量体

分子

粒径ではなく、構成粒子（原子・分子）の数で性質が議論される

4ナノメートルの大きさに潜む学理と可能性の探求

“ナノサイエンス・ナノテクノロジー”

5

真空槽 (P1 = ~10-4 Torr) パルスバルブ

並進速度 vm

M = 0 M = 10

32

s

m

vv

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛==

DxAM ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

31

2

01MTT

T0

単原子分子の場合

マッハ数：

M = 50

T1

分布

x

（穴径 D）

分子座標系での気体分子の温度

0.0012 T00.029 T0T0

並進速度 vm 並進速度 vm

P0

分子線真空チェンバー

1962年 久保 亮五 博士 （東京大学）

凝縮相と孤立相との間に新しい物性を呈する物質階層が存在

することを理論的に予測。

☞ 電子状態の離散化や電子数の偶奇性に由来する比熱、磁性、光学的性質

などの異常

δ ∼ kT δ ∼ 0

バンド

δ >> kT

原子軌道

原子 固体超微粒子

電子状態の離散化

δ: エネルギー準位の間隔

このしばらく後 （1970年代）に、クラスターの研究が行われ始めることとなる。

J. Jortner “Cluster Size Effects” Z. Phys. D 24, 247 (1992).

χ(n) = χ(∞) + An−β

(0 ≤ β ≤ 1)

本当に顕著なサイズ効果がみられるのは小さなクラスターサイズ（n < 100）の領域

小さなクラスター物理量

（物性値）

M− → M + e−hv負イオン状態 中性状態

LUMO

EA (電子親和力)hv

Ek

HOMO

E

真空準位

負イオンの光電子脱離によるLUMO準位の観測

hv = Ek + EA

M + e−

光電子脱離におけるエネルギー保存

照射した光の光子エネルギー

飛び出してくる電子のエネルギー

電子親和力

HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital)

最高被占軌道

LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital)

最低空軌道

vol. 1: Principles and Methodsvol. 2: Clusters and Fullerenesvol. 3: Nanoparticles and Quantum Dotsvol. 4: Nanotubes and Nanowiresvol. 5: Functional Nanomaterials and Nanostructuresvol. 6: Nanoelectronics and Nanophotonicsvol. 7: Bionanoscience, Nanorobotics, and Nanomedicine