Exploration of Fluctuation-Controllable Self-Assembled Supramolecular Systems and Elucidation of Their Control Mechanisms

• Project/Area Number: 17K05025
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Applied materials
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: Sato Shin-ichiro 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (10262601)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2021: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2020: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2019: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2018: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2017: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 自己組織化 / ポルフィリン / フラーレン / 分子動力学シミュレーション / 量子化学計算 / 非平衡グリーン関数法 / 環状鎖 / 環状ポリエチレングリコール / 金ナノ粒子 / 表面吸着 / 金ナノシート / 非平衡グリーン関数 / DFT / 分子ジャンクション / オリゴチオフェン / トポロジー / 環状ポリマー / 二量体 / 分子動力学 / TDDFT / ASCOT / 三量体 / 四量体 / 混合溶液 / 分子動力学計算 / TDDFT計算 / 超分子 / ゆらぎ / 分子認識 / 計算化学

Outline of Final Research Achievements

Exciton splitting in the absorption spectra of monocarboxylic acid tetraphenylporphyrin (TPPCOOH) and monocarboxymethyltetraphenylporphyrin (TPPCOOCH3) was successfully reproduced by molecular dynamics and TDDFT simulations of the self-assembled dimers of both polyphyrins.The difference in the thermodynamically stable structures of the two porphyrin dimers and the magnitude of their structural fluctuations was attributed to the difference in the hydration structures of the carboxylic acid and carboxymethyl groups.
The stable structures of self-assembled complexes of TPPCOOH and TPPCOOCH3 with fullerenes were also investigated, and a DA complex with controllable fluctuations was possible by linking porphyrins in a ring-like structure.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

SASM（自己組織化超分子）は、共有結合では達成し難い構造を容易に可能とするため、数多く研究され、実用的にも幅広く用いられている。非共有結合から成るSASMの大きな特徴として、「構造の揺らぎ」がある。揺らぎがSASMの機能に与える影響は、タンパク質や生体膜等、SASMの塊である生体科学分野では以前から注目されてきたことである。しかしながら、SASMを用いた材料分野、特に電子材料分野では大きな着目は浴びてこなかった。今回、本研究により、環状にポルフィリンを連結させることで、フラーレンとの間に揺らぎ制御可能なDA錯体を生成可能であることが示唆された。

Research Products

• [Journal Article] Precision synthesis for well-defined linear and/or architecturally controlled thermoresponsive poly(N-substituted acrylamide)s (2022)
  • Author(s): Narumi Atsushi、Sato Shin-ichiro、Shen Xiande、Kakuchi Toyoji
  • Journal Title: Polymer Chemistry Volume: 13 Issue: 10 Pages: 1293-1319
  • DOI: 10.1039/d1py01449h
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Molecular configuration-mediated thermo-responsiveness in oligo(ethylene glycol) derivatives attached on gold nanoparticles (2021)
  • Author(s): Xiong Kun、Mitomo Hideyuki、Su Xueming、Shi Yier、Yonamine Yusuke、Sato Shin-ichiro、Ijiro Kuniharu
  • Journal Title: Nanoscale Advances Volume: - Issue: 13 Pages: 3762-3769
  • DOI: 10.1039/d1na00187f
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Poly[glycidyl oligo(oxyethylene)carbamate]s(PGn-EOmR’and R-PGn-EOmR’): controlledsynthesis and effects of molecular parameters(nandm), side groups (R’), and end-groups (R)on thermoresponsive properties (2021)
  • Author(s): He Tingyu、Wang Yanqiu、Xu Liang、Fu Xiangming、Narumi Atsushi、Sato Shin-ichiro、Shen Xiande、Kakuchi Toyoji
  • Journal Title: Polymer Chemistry Volume: 12 Issue: 17 Pages: 2580-2591
  • DOI: 10.1039/d1py00070e
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Amphiphilic diblock copolymers of poly(glycidol) with biodegradable polyester/polycarbonate. organocatalytic one-pot ROP and self-assembling property (2021)
  • Author(s): He Tingyu、Narumi Atsushi、Wang Yanqiu、Xu Liang、Sato Shin-ichiro、Shen Xiande、Kakuchi Toyoji
  • Journal Title: Polymer Chemistry Volume: 12 Issue: 40 Pages: 5787-5795
  • DOI: 10.1039/d1py01026c
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Precise Synthesis and Thermoresponsive Property of Poly(ethyl glycidyl ether) and Its Block and Statistic Copolymers with Poly(glycidol) (2021)
  • Author(s): He Tingyu、Wang Yanqiu、Narumi Atsushi、Xu Liang、Sato Shin-ichiro、Shen Xiande、Kakuchi Toyoji
  • Journal Title: Polymers Volume: 13 Issue: 22 Pages: 3873-3873
  • DOI: 10.3390/polym13223873
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Isolation of poly[d-lactate (LA)-co-3-hydroxybutyrate)]-degrading bacteria from soil and characterization of d-LA homo-oligomer degradation by the isolated strains (2020)
  • Author(s): Chiaki Hori, Tomohiro Sugiyama, Kodai Watanabe, Jian Sun,Yuu Kamada Toshihiko Ooi, Takuya Isono,Toshifumi Satoh, Shin-ichiro Sato, Seiichi Taguchi, Ken'ichiro Matsumoto
  • Journal Title: Polymer Degradation and Stability Volume: 179 Pages: 109231-109231
  • DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2020.109231
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Switching of Fluorescent Zn/Cd Selectivity in N,N,N′,N′-Tetrakis(6-methoxy-2-quinolylmethyl)-1,2-diphenylethylenediamine by One Asymmetric Carbon Atom Inversion (2020)
  • Author(s): Mikata Yuji、Nozaki Kana、Tanaka Marin、Konno Hideo、Matsumoto Arimasa、Kawamura Masaya、Sato Shin-ichiro
  • Journal Title: Inorganic Chemistry Volume: 59 Issue: 8 Pages: 5313-5324
  • DOI: 10.1021/acs.inorgchem.9b03304
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] DFT approach to the pathway of conformational changes of cellulose C6-hydroxymethyl group with simple cellotetraose model involving the mechanism of mercerization process (2020)
  • Author(s): Satoshi Nomura, Shin-ichiro Sato, Tomoki Erata
  • Journal Title: Chem. Phys. Lett. Volume: 732 Pages: 137154-137154
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2020.137154
• [Presentation] 分子動力学シミュレーションを用いたオリゴエチレンオキシド側鎖末端にアルキル基を有する ポリグリシジルエーテル の温度応答性の検討 (2021)
  • Author(s): 寺田 絵里加，佐藤 信一郎
  • Organizer: 第15回分子科学討論会
• [Presentation] 金ナノシートと環状ポリエチレングリコールの吸着シミュレーション (2021)
  • Author(s): 中井 剛志，吉冨 翔太郎，王 鈺博，山本 拓矢，佐藤 信一郎
  • Organizer: 第15回分子科学討論会
• [Presentation] 曲率の異なる金ナノ粒子表面上の末端アルキル化エチレングリコール－アルカンチオールブロックオリゴマーの分子動力学シミュレーション (2021)
  • Author(s): 蘇 学銘，熊 坤，居城 邦治，三友 秀之，佐藤 信一郎
  • Organizer: 第15回分子科学討論会
• [Presentation] 直鎖および環状オリゴチオフェン単分子の導電性シミュレーション (2020)
  • Author(s): ソガクメイ，佐藤信一郎
  • Organizer: 分子シミュレーション討論会
• [Presentation] 水アルコール混合溶媒中の連結ポルフィリン2量体の熱揺らぎについての分子動力学シミュレーション (2020)
  • Author(s): 佐藤信一郎、川村将也
  • Organizer: 分子シミュレーション討論会
• [Presentation] 水/エタノール混合溶媒中におけるメチレン鎖連結モノカルボニルポルフィリンの熱力学的安定構造と揺らぎ挙動についての分子動力学シミュレーション (2019)
  • Author(s): 川村将也、佐藤信一郎
  • Organizer: 分子シミュレーション討論会
• [Presentation] Control of Fluctuation of Weak Interaction in Self-Assembled Porphyrin Dimer in Solution (2018)
  • Author(s): 佐藤信一郎、川村将也、吉住祐規、佐藤友亮、阿部薫明
  • Organizer: ICCC2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] エタノール水溶液中のモノカルボン酸ポルフィリンダイマー についてのMD計算とTDDFT計算による励起子分裂幅の評価 (2018)
  • Author(s): 川村将也 佐藤信一郎
  • Organizer: 化学系学協会北海道支部2019年冬季研究発表会
• [Presentation] Thermodynamic Fluctuation of Carboxyl- and Methoxycarbonyl-Porphyrin Aggregates in Water/Alcohol Binary Solution (2017)
  • Author(s): 佐藤信一郎
  • Organizer: 24th international SPACC symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 水/エタノール混合溶媒中のポルフィリンモノカルボン酸自己組織化ダイマーの安定化 についての分子動力学シミュレーション (2017)
  • Author(s): 川村将也 佐藤信一郎
  • Organizer: 第３１回分子シミュレーション討論会