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Development of Molecular Capturing Spaces on Metal Oxide Nanostructures

Research Project

Project/Area Number 21K14475
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 28010:Nanometer-scale chemistry-related
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

Hosomi Takuro  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (40830360)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2021: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Keywords自己組織化単分子膜 / 重水素化 / 赤外分光 / 金属酸化物 / 分子センサ / アルカン / 分子識別 / ナノ構造 / 自己組織化分子膜 / 揮発性有機化合物 / 分子吸着 / ナノ材料科学 / 分子認識 / 表面化学 / 赤外分光法
Outline of Research at the Start

金属酸化物チャネル表面に分子間に空隙を有するような有機分子修飾構造を設けた有機―無機界面を創出し、高選択的なVOC(揮発性有機化合物)認識界面を実現する。本手法は、固体表面修飾分子による分子識別と、金属酸化物固体表面における分子反応とを両立するための新手法であり、分子膜上反応を用いてきた既存の有機修飾型センサでは本質的に困難であった高い選択性・感度を可能とする。本研究は,次世代IoT社会の確立に欠かせない高選択的化学センサ技術を確立すると同時に、有機―無機界面における分子変換メカニズムに関する普遍的な知見を与えるものである。

Outline of Final Research Achievements

In the field of VOC molecular sensors, several reports have shown that modification of self-assembled monolayers (SAMs) on metal oxide channels is effective in obtaining molecular selectivity. However, the penetration of VOC (volatile organic compounds) molecules into dense SAMs has not been experimentally confirmed, and the interactions between SAMs and VOC molecules have not been clarified. In this study, we succeeded in observing the structural changes of the SAM during molecular adsorption in the infrared spectra with perdeuterated SAMs and found that alkyl-alkyl interactions play a crucial role in the penetration of VOC molecules into the SAMs. Furthermore, we have successfully demonstrated to identify the branching structure or chain lengths of VOC molecules using the wavenumber shifting effect we found in this study.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

「脂肪族鎖に囲まれた空間内での脂肪族の構造変化を捉える」という課題に対して、完全重水素化という手法を考案し、その有効性を示した。本研究では分子センサ表面における自己組織化単分子膜への揮発性有機化合物の取り込みと言う現象に着目したが、類似の現象は生物学分野をはじめとした様々な分野で提唱されており、それらへの応用可能性を示したという点で意義深い。また、本研究で達成した単純アルカンの構造異性体の識別は社会的ニーズが大きい一方で、その化学的反応性の乏しさから一般に困難とされる識別対象である。本研究で提唱する多空隙構造を利用した分子センサのさらなる発展がこの課題を打破することが期待される。

Report

(3 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Research-status Report
  • Research Products

    (10 results)

All 2022 2021

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 3 results)

  • [Journal Article] Surface dissociation effect on phosphonic acid self-assembled monolayer formation on ZnO nanowires2022

    • Author(s)
      K. Nakamura, T. Takahashi, T. Hosomi, Y. Yamaguchi, W. Tanaka, J. Liu, M. Kanai, K. Nagashima, T. Yanagida
    • Journal Title

      ACS Omega

      Volume: 7 Issue: 1 Pages: 1462-1467

    • DOI

      10.1021/acsomega.1c06183

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Maximizing Conversion of Surface Click Reactions for Versatile Molecular Modification on Metal Oxide Nanowires2021

    • Author(s)
      Yamaguchi Rimon、Hosomi Takuro、Otani Masaya、Nagashima Kazuki、Takahashi Tsunaki、Zhang Guozhu、Kanai Masaki、Masai Hiroshi、Terao Jun、Yanagida Takeshi
    • Journal Title

      Langmuir

      Volume: 37 Issue: 17 Pages: 5172-5179

    • DOI

      10.1021/acs.langmuir.1c00106

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 自己組織化単分子膜による酸化亜鉛ナノワイヤ表面分子吸着状態制御と分子センシング特性向上2022

    • Author(s)
      中村健太郎,高橋綱己,山口優,細見拓郎,田中航,金井真樹,長島一樹,柳田剛
    • Organizer
      第69回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 重水素化によるSAMの赤外透明化を用いたSAM膜内アルキル分子挙動の解明2022

    • Author(s)
      山口優, 中村健太郎, 細見拓郎, 高橋綱己, 長島一樹, 田中航, 金井真樹, 柳田剛
    • Organizer
      第12回CSJ化学フェスタ2022
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] SAM修飾ナノワイヤセンサにおけるアルキル鎖の寄与の重水素化SAMによる解明2022

    • Author(s)
      山口優,中村健太郎,細見拓郎,高橋綱己,長島一樹,田中航,金井真樹,柳田剛
    • Organizer
      第69回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 金属酸化物上の脂肪族分子のpMAIRS測定を用いた吸着挙動追跡2022

    • Author(s)
      細見拓郎
    • Organizer
      第6回MAIRSワークショップ
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Discrimination of Similar Hydrophobic Linear Ketones Regioisomers on Hydrophilic ZnO Surface2022

    • Author(s)
      T. Hosomi, S. Kurose, A. Inoue, K. Nagashima, T. Takahashi1, W. Tanaka, W. Mizukami, M. Kanai, and T. Yanagida
    • Organizer
      IUMRS-ICYRAM2022
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ZnO m面上における脂肪族ケトンの官能基位置選択的な自動酸化反応の機構解明2021

    • Author(s)
      黒瀬峻平,井上暉英,細見拓郎,長島一樹,高橋綱己,張国柱,金井真樹,柳田剛
    • Organizer
      日本化学会 第102春季年会(2022)
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 有機分子膜上の官能基を利用した金属酸化物の空間選択的原子層堆積2021

    • Author(s)
      小野赳,細見拓郎,長島一樹,高橋綱己,田中航,金井真樹,柳田 剛
    • Organizer
      日本化学会 第102春季年会(2022)
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] SAM修飾ナノワイヤセンサにおけるアルキル鎖の寄与の重水素化SAMによる解明2021

    • Author(s)
      山口優,中村健太郎,細見拓郎,高橋綱己,長島一樹,田中航,金井真樹,柳田剛
    • Organizer
      第69回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Invited

URL: 

Published: 2021-04-28   Modified: 2024-01-30  

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