スーパーコンピュータでフラーレンの性質を探る | 理化学研究所
http://www.riken.jp/pr/press/2016/20160316_1/


要旨

理化学研究所（理研）計算科学研究機構の平尾計算化学研究ユニットの平尾公彦研究ユニットリーダー、量子系分子科学研究チームの中嶋隆人チームリーダー、シドニー大学のブン・チャン リサーチフェローらの国際共同研究グループ※は、スーパーコンピュータ「京」[1]を利用した高精度電子状態計算[2]により、C60フラーレン分子[3]と高次フラーレン分子の生成熱[4]を世界最高の精度で理論予測しました。

C60フラーレン分子は1985年に発見されて以来、ヒト免疫不全ウィルス（HIV）の特効薬、化粧品、半導体材料など、さまざまな分野への応用が進められています。
そのため、実験・理論の両面からの研究が盛んに行われています。
どのように炭素原子同士が結合し、その結合がどの程度安定であるかといった基本的な物性の指標となるのは生成熱です。
しかしこれまで、実験もシミュレーションも難しいため、フラーレン分子の生成熱の正確な値は分かっていませんでした。

国際共同研究グループは、「京」に理研が開発した分子科学計算ソフトウェア「NTChem[5]」を用いて、C60フラーレン分子と炭素の原子数がもっと多い高次フラーレン分子（C70、C76、C78、C84、C90、C96、C180、C240とC320）の合計10種類の大規模分子系の生成熱を、高精度電子状態計算で算出することに成功しました。
また「より大きなフラーレン分子の生成熱を算出する一般的な計算式」を導き出しました。
さらに、炭素原子だけで構成されている同素体[6]のグラフェン[6]とフラーレン分子の物性が大きく異なる原因を推定しました。
さらに、フラーレン分子を大きくすることによる物性の変化を実験に先んじて理論予測することに成功し、新材料として利用するための計算基盤を作りました。

本研究を発展させることにより、これまで難しかったC60フラーレンや高次フラーレンなどの大規模分子の電子物性や化学反応の理論計算による予測がより正確になります。
また、フラーレン分子の性質を実験に先んじて理論で明らかにすることで、新材料設計の指針を計算科学の立場から立案することが期待できます。

本研究は、米国の科学雑誌『Journal of American Chemical Society』（2月3日号）に掲載されました。

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共同発表：フラーレンＣ７０に水分子を閉じ込めることに成功
http://www.jst.go.jp/pr/announce/20160308-2/index.html


ポイント
炭素原子７０個が球状に結合しているフラーレンＣ７０の内部に水分子を閉じ込める手法を開発した。
水の基礎的物性の解明やフラーレンＣ７０物性制御に道筋を付けることが可能となった。
有機薄膜太陽電池の性能向上や生理活性素材の開発などの多彩な応用開発が期待できる。


ＪＳＴ 戦略的創造研究推進事業において、京都大学 化学研究所の村田 靖次郎　教授らは、炭素原子が球状に結合しているフラーレンの一種であるＣ７０注１）の内部に水分子を閉じ込めることに成功しました。

水は生命にとって最も身近かつ重要な物質であり、水分子（Ｈ２Ｏ）から構成されています。
しかし、１個、あるいは２個の水分子を取り出して、その基礎的物性を明らかにする研究はほとんどありませんでした。

今回、京都大学の研究グループでは、フラーレンＣ７０に開口部を構築し、そこから１個、あるいは２個の水分子を内部に挿入し、その後、開口部を元通りに修復することによって、水分子を内包したフラーレンＣ７０を合成しました。
さらに、水分子を内包したＣ７０の構造を解析して１個の水分子が単独で動いている様子を明らかにし、また、世界で初めて２個の水分子だけを他の水分子から孤立させ、その挙動観測に成功しました。
今後、この技術を利用して、水の単分子や２個の分子の物性研究を詳細に行うことが可能になり、生命に最も関係の深い水の挙動解明を進める事が可能となります。

また、内部の空間に金属イオンや分子を持つ内包フラーレン注２）は、さまざまな新しい機能を発揮する機能性分子として大きな注目を集めています。
今回開発した技術を用い、有機薄膜太陽電池注３）の性能向上、生理活性素材の開発、生命現象を解明するためのプローブ分子への応用などが期待されます。

研究成果は、２０１６年３月７日（米国時間）の週に科学誌「Ｎａｔｕｒｅ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ」のオンライン速報版で公開されます。

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2015年8月22日
理化学研究所
科学技術振興機構

炭素のサッカーボールが集まるとなぜ高温超伝導体になるか
－最先端計算シミュレーションにより長年の謎を解明－

要旨

理化学研究所（理研）創発物性科学研究センター計算物質科学研究チームの酒井志朗研究員、有田亮太郎チームリーダーと、東京大学大学院工学系研究科野村悠祐大学院生（研究当時）、イタリア国際高等研究所マッシモ・カポネ教授の国際共同研究グループは、分子性固体として最高の超伝導転移温度を持つフラーレン固体の超伝導発現メカニズムを解明しました。

炭素は宝石（ダイヤモンド）になったり、鉛筆の芯（黒鉛）になったりと、さまざまな形態をとるユニークな元素ですが、60個集まるとサッカーボール状のフラーレン分子になることが知られています。
この分子がさらに集まって結晶を作り、隙間にアルカリ原子が挿入されると絶対温度にして約40ケルビン（K）の転移温度を持つ高温超伝導体[1]となりますが、その超伝導発現のメカニズムについては、以下のような未解明の問題があり、なぜフラーレン固体が高温超伝導体になるか、は長く謎に包まれていました。

一般に、超伝導体中の電子はクーパー対[2]と呼ばれるペアをつくって運動します。
これまでの実験的研究からフラーレン固体中でもクーパー対が形成されていることが明らかにされていました。
その一方で、フラーレン分子の中で電子の間には強いクーロン斥力[3]が働くことが知られています。
実際、フラーレン同士の距離を少し広げると、そのクーロン斥力が原因で、超伝導状態からモット絶縁体[4]という絶縁状態に転移してしまいます。
単純に考えると、同じ符号の電荷を持つ電子は、クーロン斥力によりクーパー対の形成が強く阻害されるため、高温超伝導の実現は難しくなると考えられます。
このように、なぜ強いクーロン斥力が働くフラーレン固体中にクーパー対が形成されるのかは長らく未解決のままでした。

国際共同研究グループは、フラーレン固体の結晶構造以外の実験情報を使わずに（非経験的）に超伝導状態を解析する方法論を開発し、スーパーコンピュータを使った大規模数値計算を行いました。

100,000Kのエネルギースケールの電子状態計算からはじめ、どの状態が超伝導に関わるのかに焦点をあわせて、最終的に何度で超伝導転移が起こるかを誤差10K未満という驚くべき精度で再現することに成功しました。
また、超伝導状態の詳細な解析の結果、フラーレン固体では原子の振動（格子振動）とクーロン斥力が特異的に助け合って高温超伝導を実現していることが明らかになりました。
このメカニズムは、格子振動とクーロン斥力が競合しあう従来型の超伝導機構とは本質的に違うものです。

超伝導発現に電子相関が絡む非従来型と呼ばれる超伝導体について、本研究レベルの精度で実験相図を再現した例はなく、方法論開発の面からも新超伝導体の物質設計の可能性を開く成果と言えます。

本研究は、科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業総括実施型研究(ERATO)「磯部縮退π集積プロジェクト」（研究総括：磯部寛之）の一環として行われたもので、米国の科学雑誌『Science Advances』（8月21日付け：日本時間8月22日）に掲載されます。

（引用ここまで　全文は引用元参照）



▽引用元
理化学研究所　2015年8月22日プレスリリース
http://www.riken.jp/pr/press/2015/20150822_1/

東北大学のコスマス・プラシデス教授らによる研究グループは、フラーレン超伝導体の超伝導転移温度が最大になる条件を明らかにした。



同研究グループは、これまでの研究で、炭素原子60個からなる分子「フラーレン」を構成単位とする物質が、分子性物質の中で最高の転移温度38K（ケルビン）を示すことを発見している。ただし、超伝導転移温度や、磁性絶縁体から超伝導への転換などの顕著な物性はすべて高圧下のみで観測されるため、詳細な電子状態の解明は未解決のまま残されていた。

今回の研究では、Cs3-xRbxC60という組成の化合物の合成に初めて成功し、磁性絶縁体から超伝導への転換を常圧の状態で実現することに成功した。

続きはソースで

なお、この内容は4月17日付の米科学雑誌「Science　Advances」に掲載された。
http://www.zaikei.co.jp/article/20150420/246052.html

画像
フラーレンC60超伝導体の、3次元的な結晶構造。フラーレン分子は60個の炭素原子からなり、切頭正二十面体（サッカーボール）型の分子である。これが規則正しく3次元的に配列した結晶構造を有する
http://www.zaikei.co.jp/files/general/2015042013193650big.gif

東北大学プレスリリース：
分子からなる超伝導体の転移温度を最大にする方法を発見 －新しい高温超伝導体開発への道を開く－
http://www.tohoku.ac.jp/japanese/2015/04/press20150417-01.html

論文：Optimized unconventional superconductivity in a molecular Jahn-Teller metal
http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.1500059