通過摻合物料並高溫燒製而成的普通陶瓷，近年來，藉助低溫燒製的拓撲化學反應，能夠置換一部分材料骨架結構，使材料發揮出新功能。例如，可以製造以往無法獲得的新型磁性材料，或者將電容材料轉化為氨合成觸媒。
京都大學研究生院工學研究科的碩士生樋口涼也、博士生（研究當時）石田耕大、高津浩副教授、陰山洋教授等人的研究團隊，通過與京都大學理學研究科、法國波爾多大學、一般財團法人精密陶瓷中心、日本東北大學、中國的桂林理工大學開展的合作研究，全球首次實現了對材料骨架本身進行重新框架的新型拓撲化學反應。該研究成果已發表在期刊《Journal of the American Chemical Society》上。
圖1：京都大學研究生院工學研究科的樋口涼也（左）與高津浩副教授（供圖：科學新聞社）
拓撲化學反應會在反應層的內部改變結構，此次實現的是通過反應將雙層結構轉換為單層。實際是將含鉬和鉭的層狀氧化物Mo₂Ta₂O 11的兩個MoO₄四面體層，被轉換成了MoO₆八面體，生成了氮氧化物Mo₂Ta₂O10N。
高津副教授表示：「在進行另一項實驗時，對偶然生成的物質進行測量後，結果有些異常，發現其變成了單層。通過電子顯微鏡及X射線繞射實驗等可知，其在堆疊方向的收縮率約為18%，作為拓撲化學反應而言，這是一個極大的變化。」研究生樋口表示：「本次反應的關鍵在於存在易移動的原子，因此在其他體系中或許也可能實現。」
圖2 本研究揭示了一種新型拓撲化學反應：四面體雙層結構向八面體單層結構的轉化（供圖：京都大學）
觀察此次獲得的八面體層的面內結構，發現其為籠目晶格。由於形成了籠目晶格，Mo₂Ta₂O11是絕緣體，但Mo₂Ta₂O10N轉變為具有導電性。該物質顯示出狄拉克電子態和平坦帶（flatband）等特異的電子結構，有望成為面向新一代量子器件及新功能材料的堅實基礎。
此次的結構轉換，顛覆了拓撲化學反應的傳統認知。它展示了對以往被認為無法實現的結構轉換進行合理設計的可能性，有望成為能夠設計並創造出多種金屬晶格的新方法。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Journal of the American Chemical Society
論文：Topochemical Reaction Involving Double-to-Single Layer Conversion: Mo3Ta2O10N with a Kagomé Lattice
DOI：10.1021/jacs.5c05749
