原子十数個というミクロスケールでの原子拡散を実証

2025-09-10 東京科学大学

東京科学大学・京都大学・理化学研究所などの研究チームは、原子十数個規模の有機金属ナノクラスターに単一の原子空孔を導入し、その移動による原子拡散を初めて実証した。研究では、12個のパラジウム原子からなる新規有機金属クラスター(Pd₁₂)を合成し、従来のPd₁₃クラスターから1原子欠損させた構造を構築。NMR測定やX線構造解析、量子化学計算により、表面に位置する原子空孔が分子内を素早く移動し、周囲の原子が拡散している様子を観測した。NMR温度依存性の解析では、低温で複数のシグナルが現れ、室温では平均化して融合することから、空孔移動が分子レベルで進行していることが確認された。さらに計算により拡散の活性化エネルギーも算出。原子空孔を精密導入してダイナミクスを可視化する手法を確立したことで、触媒や材料物性を左右する原子欠陥科学に新展開をもたらす成果と位置づけられる。結果は『Angewandte Chemie International Edition』に掲載。

原子十数個というミクロスケールでの原子拡散を実証
図1.バルク固体中における、空孔機構に基づく原子拡散の模式図

<関連情報>

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Angewandte Chemie International Edition  Published: 26 June 2025
DOI:https://doi.org/10.1002/anie.202507444

Graphical Abstract

We report the formation and dynamic behavior of atomic vacancy in an organometallic palladium cluster complex. Variable-temperature NMR analysis and theoretical calculations of the Pd12 cluster [Pd12(C7H7)6][B(ArF)4]2 suggest that an atomic vacancy migrates rapidly at the surface of the metal cluster on the NMR timescale, leading to the vacancy-induced atomic diffusion in a molecule.

Description unavailable

Abstract

The presence of atomic vacancies in a close-packed material is believed to allow the migration of atoms adjacent to the vacancies, which induces dynamics of atoms. However, it is not known whether atoms in discrete molecules can undergo vacancy-induced dynamics. We describe herein the generation of a close-packed Pd12 cluster complex [Pd12(C7H7)6][B(ArF)4]n (n = 2, 3) with a Pd-atom vacancy, and the observation of the diffusion of Pd atoms. Variable-temperature NMR analysis, X-ray structure analysis, and theoretical calculations indicate that an atomic vacancy is located at the surface sites of the Pd12 core, and that it migrates rapidly on the NMR timescale. This means that all 11 palladium atoms at the surface undergo self-diffusion with a low energy barrier. These results demonstrate, for the first time, that atomic diffusion occurs within a molecule through the vacancy mechanism.

0500化学一般
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