物質科学におけるクラスターの基礎と構造

物質科学においてクラスターとは、同種の原子あるいは分子が相互作用によって数個から数十個、もしくはそれ以上の数が結合した物体を指す言葉である。原子や分子同士を結びつける相互作用としては、ファンデルワールス力、静電的相互作用、水素結合、金属結合、共有結合などが挙げられる。なお、こうしたクラスターのうち電荷を帯びたものはクラスターイオンと呼ばれる。

クラスターの位置づけ

クラスターは、いわゆるバルクとも孤立した原子・分子とも異なる状態であり、少数多体系あるいは有限多体系と呼ばれる。これらはバルクと孤立原子・分子の間に位置する新しい物質相であると考えられており、サイズに依存した特異的性質を示すことから、新規磁性材料や触媒材料などの応用面でも注目を集めている。

フラーレン

代表的なクラスターの一つとして、炭素原子60個が結合してサッカーボール状の構造を持つC60フラーレンが挙げられる。C60フラーレンは共有結合クラスターに分類される。

金属クラスターと金属カルボニルクラスター

複数の遷移金属原子が互いに金属結合した構造をしているものは金属クラスターと呼ばれ、近年ではナノ粒子という概念とも関連して議論されている。また、有機金属化学の分野では、カルボニル配位子で安定化された金属クラスターを金属カルボニルクラスターと称する。金属カルボニルクラスターの典型的な例としては、ドデカカルボニルルテニウム（Ru3(CO)12）やドデカカルボニルオスミウム（Os3(CO)12）などが挙げられ、これらはいずれも3つの金属原子が正三角形を形成する構造を持っている。