「共有結合の結晶」の表面の「手」は？

質問

ダイヤモンドなどの共有結合の結晶(巨大分子)について疑問があります。
例えばダイヤモンドは、炭素原子が４本の手(価標)で次々と共有結合で結びついた結晶だと思うのですが、結晶の表面の部分では手が余ってしまわないのでしょうか？高校の教科書によくある図では表面の部分がごまかされているようで…。
不対電子がそのままなのでしょうか？それとも何か特別なことがあるのでしょうか？ご教授ください。

回答No.5

bipolaron

表面は必ず何らかの元素で終端するわけではないと思います。例えばダイヤモンドと同じ結晶構造を持つシリコンの場合、大気中で研磨した瞬間にSiO2の薄膜が表面に出来ます。このSiO2はきっちりした結晶構造を持たず、アモルファスと呼ばれます。シリコンの原子は堅固な結晶構造が表面に向かって徐々に崩れてゆき、エネルギー的な緩和を起こしながら大気に接する表面は完全なSiO2という物質になっています。この膜の厚さも研磨時の条件によって異なります。
　シリコンの場合、水素終端された表面（終端表面はその再外一原子層までシリコンの結晶構造が保たれているもの）を得るには特殊な実験条件が必要となります。また純粋なダングリングボンド表面を実験で得るのも少し困難で、真空の中でもシリコンの表面は再構成と呼ばれる表面数原子層のみの並び替えを行ってしまいます。本当のスパッと切っただけのダングリングボンド表面は現実にはなかなか存在できません。
　ではダイヤモンドでも同じことが言えるかと言えば、そうはいきません。まったく同じ構造をとっていても少しずつその表面に形成しやすい膜や吸着しやすい原子種が異なってくるからです。結晶自体の安定性もぜんぜん違いますし、また表面の面の何処（表面は切り口を変えるだけで何種類もあるからです）の話をするかにもよってきます。残念ながら私はダイヤモンド（例えば彼女の指に輝いているダイヤモンドの表面が実際アモルファス薄膜なのか水素、酸素終端面なのか、どうなっているのか？）のことは良く知りませんので、明言はさけさせていただきます。実験室ないでは色々と面白いことがあるようですので参考URLをあげさせていただきます。
　こういったことを調べるのを表面科学といい、非常に奥の深い学問です。上のことを理解するのだけでも大学院レベルでしょうか・・・。高校の教科書でこういったことがごまかされているのはこんな理由があるからです。

参考URL：

http://www.coe.waseda.ac.jp/kawarada/AFM1/AFM1-j.htm

お礼

お礼が遅くなりました。大変参考になりました。ありがとうございました。

回答No.4

noname#21649

界面化学反応として．多くの場合．大気中の水と結合して－ＯＨ末端になっているはずです。ただ．δＧからの推定しかしたこと（炭素では計算経験無し）はないので（表面の原子を捕まえる方法がない）本当の所はわかりません。

お礼

ありがとうございました。

回答No.3

siegmund

acacia7 さんの書かれているように，
表面のボンドはダングリングボンドといわれています．
余ってぶらぶらしている結合という意味です．

ダングリングボンド同士が結晶の十分内部とは違う結合の仕方をすることもあります．
こうすると，表面の格子状態は内部とは違いますね．
これは meister_kk さんの言われるとおり．
あるいは acacia7 さんの言われるように，
「不純物」がくっついて終端している場合もあります．

もし，ダングリングボンドが本当にフリーのまま残っていれば，
(例えば)２つのダイヤモンドの面同士をくっつければボンドの結合が瞬時に起こって，
２つのダイヤモンドは一体になってしまいます．
通常そういうことは起きません．
これはダングリングボンドが本当にフリーのままは残っていないことを意味しています．

例えば，鉄の表面を真空中で非常に平らに研磨して
ダングリングボンドが生き残っているようにしておいて，
鉄の表面同士を接触させると引き離せないほど強くくっついてしまうことが知られています．
これは生き残っていたダングリングボンドが結合したわけです．
ダイヤモンドで同様のことができるかどうかは知りません．

お礼

ありがとうございました。

回答No.2

meister_kk

acacia7さんとほぼ同じです。
面欠陥といわれるものです。
内面は結合に周期性があるのに、表面の外側には結合する相手がいないのです。
従って、表面の原子は結合に余力が残っていることになります。
よって、内部よりも表面の原子のほうが高いエネルギーをもっています。

お礼

ありがとうございました。

回答No.1

acacia7

良く知らないのですがちょっと見てきた事だけ・・
あまった手はダングリングボンドと呼ばれている様です。＜すでに伝聞状態
表面だけ、結晶構造が崩れて居る場合もあるようですが、
汚染されていない結晶表面はダングリングボンドが切り立っているそうです。
しかし、気体に暴露されている多くのダングリングボンドは気相の原子によって「終端」されています。
それは、水素だったり酸素だったりいろいろあるみたいです。

「ダングリングボンド」「終端」「結晶表面」なんかで検索するといろいろでてきます。

お礼

ありがとうございました。勉強します。