超不活性空間での不安定化学種のボトムアップ構築による構造・物性の定常化と応用
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21H01737
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 28010:Nanometer-scale chemistry-related
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
上野 裕 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (00775752)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
村田 靖次郎 京都大学, 化学研究所, 教授 (40314273)
青柳 忍 名古屋市立大学, 大学院理学研究科, 教授 (40360838)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥17,940,000 (Direct Cost: ¥13,800,000、Indirect Cost: ¥4,140,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
Fiscal Year 2021: ¥11,180,000 (Direct Cost: ¥8,600,000、Indirect Cost: ¥2,580,000)
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| Keywords | 内包フラーレン / リチウムイオン / クラスター / プラズマ / 不安定化学種 |
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| Outline of Research at the Start |
隔離された不活性空間として知られるフラーレン内部へ段階的に原子・分子を挿入することで，不安定な分子や原子集合体をボトムアップ的に構築・単離する手法を確立する．具体的には，プラズマを用いた原子・イオン挿入法，および有機合成による小分子配置手法を駆使することで，『単離が極めて困難な不安定化学種』を内包したフラーレンの合成を実現する．フラーレン内部に配置されることで定常的に存在可能となった不安定化学種の構造，構成原子間相互作用の詳細にアプローチし，これらに起因する物性を探索する．本研究により，未踏構造の積極利用へと導く『不安定化学種の新科学』の開拓・拡大へ向けた研究基盤を構築する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，有機合成，およびプラズマを用いたフラーレン内部への原子・分子挿入法を併用することで，超不活性空間として知られるフラーレン内部における 未踏不安定化学種のその場構築，および構造・物性の定常化を目指す。課題の達成により，未踏不安定化学種の構造・物性相関へアプローチするとともに，『不安定化学種の新科学』の開拓へ向けた研究基盤を構築することができる。2022年度は，初年度に構造決定を達成した標的分子①（一分子の水で水和されたリチウムイオンを内包したC60：Li+-H2O@C60）の高効率合成法を検討し，新たに合成した試料を用いて，内包Li+-H2Oの温度可変赤外スペクトル測定を試みた。温度の低下に伴う内包化学種の運動変化により，100 K付近から特徴的なスペクトルが観測され，100 K以下の低温域において，過去に赤外解離分光法により気相中で測定されたLi+-H2Oクラスターの赤外スペクトルと同様のスペクトルが得られている。すなわち，『C60内部に内包させる』ことにより，気相中でのみ取り扱い・測定が可能であった化学種ですら，固体試料として精密な分光実験が可能であることを実証した。一方，標的分子②（Li+-He内包C60）については，合成プロセスにおけるいくつかの問題のため，未だ単離には至っておらず，最終年度も引き続き合成法の検討を実施したい。また，初年度より引き続き，プラズマプロセスの高効率化および生成物の抽出効率向上を志向した装置改良等を進め，当初用いていたプロセスの２~10倍程度の収率でイオン打ち込み反応後の生成物を単離可能となっている。最終年度も引き続き検討を続け，以降の研究に活用する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
概要欄に記した通り，標的化合物①（Li+-H2O@C60）に関する合成方法の検討および得られた試料を用いた実験については，当初の計画の枠を超えて多くの実験結果が得られ始めている。特に，極低温下での赤外スペクトル測定では，気相中でしか取扱い・測定実績がない『不安定化学種』に関して，固体材料として安定に単離し，温度を厳密に規定した環境での分光分析が可能であることを実証しており，本手法の展開により，様々な未踏化学種の物性探索および応用が可能と期待される。また，初年度終了時に課題となっていた理論計算によるアプローチについても順調な進捗を見せており，内包化学種の構造，スペクトル，運動に関して，DFT計算やMDシミュレーションによる検討結果が得られている。
一方，標的化合物②（Li+-He@C60）の合成に関し，有機合成によるHe挿入プロセスに必要な装置不具合により，目的化合物の単離には至っていない。比較的低圧下での合成が可能なルートの探索を進めており，最終年度中に単離を達成したい。
なお，初年度に発生した地震による装置不具合については2022年度初頭に復旧が完了しており，最終年度の実験を迅速に推進可能である。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の計画に掲げた内容についてはおおむね順調に進捗しており，成果報告を進めるとともに，最終年度も速やかに実験を推進する。予想を上回る多くの成果が得られ始めており，想定以上の試料を必要とするため，初年度から蓄積してきた合成ノウハウを基に試料を追加合成し，各種実験を進める。一方で，進捗が滞っている標的分子②（Li+-He@C60）の合成については，新規合成ルートの探索を継続するとともに，共同研究先と連携しながら高圧合成プロセスについても実施の可能性を探る。おおむね順調な進捗を見せていること，および合成プロセスの成熟度を考慮して，当初計画した２種類の分子に加え，新たな『不安定化学種内包フラーレン』の合成にも着手し，『不安定化学種の新科学』の基盤構築へ向け，さらに研究を発展させる。
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Report
(2 results)
Research Products
(14 results)
