通过混合材料并高温烧制而成的普通陶瓷，近年来，借助低温烧制的拓扑化学反应，能够置换一部分材料骨架结构，使材料发挥出新功能。例如，可以制造以往无法获得的新型磁性材料，或者将电容器材料转化为氨合成催化剂。
京都大学研究生院工学研究科的硕士生樋口凉也、博士生（研究当时）石田耕大、高津浩副教授、阴山洋教授等人的研究团队，通过与京都大学理学研究科、法国波尔多大学、一般财团法人精细陶瓷中心、日本东北大学、中国的桂林理工大学开展的合作研究，全球首次实现了对材料骨架本身进行重构的新型拓扑化学反应。该研究成果已发表在期刊《Journal of the American Chemical Society》上。
图1 京都大学研究生院工学研究科的樋口凉也（左）与高津浩副教授（供图：科学新闻社）
拓扑化学反应会在反应层的内部改变结构，此次实现的是通过反应将双层结构转换为单层。实际是将含钼和钽的层状氧化物Mo₂Ta₂O 11的两个MoO₄四面体层，被转换成了MoO₆八面体，生成了氮氧化物Mo₂Ta₂O10N。
高津副教授表示：“在进行另一项实验时，对偶然生成的物质进行测量后，结果有些异常，发现其变成了单层。通过电子显微镜及X射线衍射实验等可知，其在堆叠方向的收缩率约为18%，作为拓扑化学反应而言，这是一个极大的变化。”研究生樋口表示：“本次反应的关键在于存在易移动的原子，因此在其他体系中或许也可能实现。”
图2 本研究揭示了一种新型拓扑化学反应：四面体双层结构向八面体单层结构的转化（供图：京都大学）
观察此次获得的八面体层的面内结构，发现其为笼目晶格。由于形成了笼目晶格，Mo₂Ta₂O11是绝缘体，但Mo₂Ta₂O10N转变为具有导电性。该物质显示出狄拉克电子态和平坦带（flatband）等特异的电子结构，有望成为面向新一代量子器件及新功能材料的坚实基础。
此次的结构转换，颠覆了拓扑化学反应的传统认知。它展示了对以往被认为无法实现的结构转换进行合理设计的可能性，有望成为能够设计并创造出多种金属晶格的新方法。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Journal of the American Chemical Society
论文：Topochemical Reaction Involving Double-to-Single Layer Conversion: Mo3Ta2O10N with a Kagomé Lattice
DOI：10.1021/jacs.5c05749
