クラスター（物理学）

物理学におけるクラスターとは、小さな多原子粒子を指します。3×10 ^{0 個}から3×10 ⁷ 個の原子からなる粒子はすべてクラスターとみなされます。

この用語は、原子核内の陽子と中性子の構成を指すこともあり、例えば、2つの陽子と2つの中性子（ヘリウム原子核の場合）で構成されるアルファ粒子（「αクラスター」^[1]とも呼ばれる）などが挙げられる。

概要

クラスター種の最初の報告は1940年代に遡りますが、^[2]クラスター科学は1980年代に独立した研究分野として登場しました。研究の目的の一つは、バルク固体を特徴付ける集団現象の漸進的な発達を研究することでした。例えば、物体の色、電気伝導性、光の吸収または反射能力、そして強磁性、フェリ磁性、反強磁性といった磁気現象などが挙げられます。これらは、多数の原子の集合体においてのみ発現する典型的な集団現象です。

クラスターサイズが非常に小さい場合、集団現象は破綻することが判明しました。例えば、強磁性体の小さなクラスターは強磁性ではなく超常磁性であることが判明しました。常磁性は集団現象ではないため、マクロ状態の強磁性はナノ状態に移行しても保存されません。そこで、例えば「固体の集団的な金属的特性または磁性特性を得るには、いくつの原子が必要か？」という疑問が生じました。1980年に最初のクラスター源が開発されて間もなく、クラスター科学者のコミュニティはますます大きくなり、こうした研究に携わるようになりました。

この発展により、1986 年にフラーレンが発見され、数年後には カーボンナノチューブが発見されました。

科学において、気相の性質については多くのことが分かっていますが、凝縮相（液相と固相）については比較的知見が乏しいのが現状です。クラスター研究は、原子をクラスター状に集め、その特性を研究することで、この知識のギャップを埋めようとする試みです。十分な数の原子がクラスター状に集まれば、最終的には液体または固体が得られます。

原子・分子クラスターの研究は、発展途上のナノテクノロジー分野にも貢献しています。ナノ触媒や量子コンピュータなど、ナノスケールの粒子から新しい材料を作り出すには、まずナノスケールの粒子（クラスター）の特性を理解する必要があります。

参照

• クラスター化学
• ナノ粒子
• ナノクラスター

参考文献

1. 18O核における極端なαクラスタリング。
2. マタウチ J.;エワルド・H.ハーン・O;ストラスマン F. (1943)。 「Hat ein Caesium-Isotop langer Halbwertszeit presentiert? Ein Beitrag zur Deutung ungewöhnlicher Linien in der Massenspektrographie」。物理学の時代。120 ( 7–10 ): 598–617。Bibcode :1943ZPhy..120..598M。土井：10.1007/BF01329807。

外部リンク

• クラスター、フラーレン、ナノチューブ、ナノ構造、および類似の小さなシステムに関する科学コミュニティ ポータル。