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シリコンナノ構造を駆使した光トラッピングに基づく化学反応制御の開拓

Research Project

Project/Area Number 20J23762
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Review Section Basic Section 28030:Nanomaterials-related
Research InstitutionOsaka Metropolitan University (2022)
Osaka City University (2020-2021)

Principal Investigator

永井 達也  大阪公立大学, 大学院理学研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2020-04-24 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥2,500,000 (Direct Cost: ¥2,500,000)
Fiscal Year 2022: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2020: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Keywords光ピンセット / 光圧 / 温度応答性高分子 / 液液相分離 / 励起エネルギー移動 / ナノ構造 / ドロップレット / エネルギー移動 / 光誘起電子移動 / 顕微分光法 / FRET
Outline of Research at the Start

本研究の目的は、シリコンナノ構造を用いた光ピンセット(NASSCA光ピンセット)を物質化学へ応用することである。特に光捕捉することで化学反応の促進や微粒子の効率的な形成を目指す。NASSCA光ピンセットは、従来法より効率的にナノ物質を捕捉可能な次世代型光ピンセットである。この手法と高分子鎖の疎水性相互作用を組み合わせることにより、従来では捕捉が困難であったナノ物質を空間操作し、反応速度を劇的に促進させる。このような手法が確立することで光圧科学と物質化学が組み合わさった新たな学術分野の創造が期待できる。

Outline of Annual Research Achievements

①PVMEを用いた内部極性可変の高分子ドロップレットの形成
光圧で形成できる単一の高分子ドロップレットは、内部の環境(極性環境、粘度など)を光圧で簡単に制御できる可能性があるが、これまで実現されていなかった。本研究ではこれまでのレーザー誘起高分子ドロップレットの対象であるPoly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM)に代わり、Poly(Vinylmetheylether) (PVME)を用いることで内部の極性環境を光圧で制御可能なドロップレットの形成に成功した。
②レーザー誘起PVMEドロップレットを反応場とした励起エネルギー移動の光圧制御
励起エネルギー移動 (FRET)は一般的に、ドナーとアクセプターの組み合わせ、濃度、溶媒種を決めるとその効率は一義的に決まる。本研究で見出したレーザー誘起PVMEドロップレットを"場"として利用することでFRET効率をレーザー出力を増減するだけで、15 %から75 %と広範囲で可逆的に制御することに成功した。励起エネルギー移動は、光化学反応の素過程であり、光圧により化学反応を促進・抑制を可逆的に制御できる新規反応場を提供できる。
③単結晶Siナノ構造を利用した光ピンセットによる内部極性可変の高分子ドロップレットの形成
これまで光圧を用いて形成したPNIPAMドロップレットの内部の環境はレーザー出力や高分子の濃度に依らず一定であった。本研究では、単結晶Siのナノ構造による増強光圧を利用して形成したPNIAPMドロップレットでレーザー出力により内部の極性環境を制御できることを見出した。本手法を用いれば、高分子の構造に依存せず内部環境を制御可能な単一ドロップレットを形成することができる。高分子に反応活性部位を修飾するなど、ドロップレット反応場の性質を拡張することができると考えている。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(3 results)
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (5 results)

All 2022 2021 2020

All Journal Article (2 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (3 results)

  • [Journal Article] Wavelength-Sensitive Optical Tweezers Using Black-Si Nanospikes for Controlling the Internal Polarity of a Polymer Droplet2022

    • Author(s)
      Nagai Tatsuya、Yuyama Ken-ichi、Shoji Tatsuya、Matsumura Yuriko、Linklater Denver P.、Ivanova Elena P.、Juodkazis Saulius、Tsuboi Yasuyuki
    • Journal Title

      ACS Applied Nano Materials

      Volume: 6 Issue: 1 Pages: 180-189

    • DOI

      10.1021/acsanm.2c04222

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Optical Trapping of Nanocrystals at Oil/Water Interfaces: Implications for Photocatalysis2021

    • Author(s)
      Yasuyuki Tsuboi, Shota Naka, Daiki Yamanishi, Tatsuya Nagai, Ken-ichi Yuyama, Tatsuya Shoji, Bunsho Ohtani, Mamoru Tamura, Takuya Iida, Tatsuya Kameyama, and Tsukasa Torimoto
    • Journal Title

      ACS Appl. Nano Mater.

      Volume: 4 Issue: 11 Pages: 11743-11752

    • DOI

      10.1021/acsanm.1c02335

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 光ピンセットで形成した単一高分子液滴の応用:蛍光分子濃縮によるFRET制御2022

    • Author(s)
      永井 達也, 柚山 健一, 坪井 泰之
    • Organizer
      2022年光化学討論会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 光圧を用いた高分子集合体の形成:ナノ構造基板を用いた光ピンセット2020

    • Author(s)
      永井 達也, 東海林 竜也, Saulius Juodkazis, 坪井 泰之
    • Organizer
      第9回JACI/GSCシンポジウム
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Optical Trapping of Thermoresponsive Polymer using Nanostructured Silicon and Titan Substrates2020

    • Author(s)
      Tatsuya Nagai, Tatsuya Shoji, Yuriko Matsumura, Yasuyuki Tsuboi
    • Organizer
      2020Web光化学討論会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report

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Published: 2020-07-07   Modified: 2024-03-26  

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