構造常識を覆すトポケミカル反応の発見

―カゴメ格子をもつ新しい二次元量子物質の創製に成功―

2025年7月28日 11:00

研究者情報

〇【研究当時】金属材料研究所　准教授　南部雄亮

発表概要

酸化物の性質は、金属の価数や空間配列によって大きく左右されます。中でも、結晶骨格を保ちながら特定の原子だけを選択的に出し入れする「トポケミカル反応」は、物性を制御できる手法として広く用いられてきました。しかし、従来は金属サイトの数や配置を保つ「1:1対応」が前提とされ、骨格自体の再構成は不可能と考えられてきました。京都大学大学院工学研究科の樋口涼也 修士課程学生、石田耕大 同博士課程学生（研究当時）、高津浩 同准教授、陰山洋 同教授らの研究グループは、京都大学理学研究科、ボルドー大学、ファインセラミックスセンター、東北大学、桂林理工大学との共同研究により、「1:1対応」を破る新しいトポケミカル反応を世界で初めて実現しました。
本研究では、モリブデン（Mo）とタンタル（Ta）を含む層状酸化物にアンモニア処理を施し、MoO₄四面体構造の２層がMoO₆八面体の1層へと変換される「2:1構造再編」に成功しました。変換後の八面体層内には、Mo原子がカゴメ格子と呼ばれる特異な二次元構造を形成し、量子物性の発現を示唆する結果を確認しました。この成果は、トポケミカル反応による構造変換が"骨格再構成"へと進化し得ることを示す初の事例であり、低温合成で到達可能な構造自由度の飛躍的拡大を意味します。今後の量子機能材料の設計に新たな指針を与えるものであり、量子コンピュータや省エネルギー電子デバイスへの応用も期待されます。
本研究成果は、2025年7月24日（現地時間）に国際学術誌「Journal of the American Chemical Society」のオンライン版に掲載されました。



本研究の発見：四面体構造の2層が八面体の1層へと変換される新しいトポケミカル反応

論文情報

タイトル：Topochemical Reaction Involving Double-to-Single Layer Conversion: Mo₃Ta₂O₁₀N with a Kagomé Lattice（2層から1層への変換を伴うトポケミカル反応:カゴメ構造をもつMo₃Ta₂O₁₀N）
著者：Ryoya Higuchi, Kohdai Ishida, Cédric Tassel, Baptiste Vignolle, Daichi Kato, Kantaro Murayama, Hsin-Hui Huang, Akihide Kuwabara, Shunsuke Kobayashi, Yusuke Nambu, Hiroyasu Matsudaira, Shunsaku Kitagawa, Kenji Ishida, Congling Yin, Hiroshi Takatsu, and Hiroshi Kageyama
掲 載 誌：Journal of the American Chemical Society
DOI：10.1021/jacs.5c05749

詳細（プレスリリース本文）

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