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Exploring the atomistic mechanism of polymorphism with atomic-resolution TEM

Research Project

Project/Area Number 22KJ1087
Project/Area Number (Other) 22J21760 (2022)
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeMulti-year Fund (2023)
Single-year Grants (2022)
Section国内
Review Section Basic Section 36010:Inorganic compounds and inorganic materials chemistry-related
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

榊原 雅也  東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2023-03-08 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥3,400,000 (Direct Cost: ¥3,400,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
Keywords結晶化 / 結晶多形 / 構造相転移 / 透過電子顕微鏡 / 動的観察 / 時間分解能 / ナノ結晶 / 無機化合物 / 結晶成長 / 電子顕微鏡 / 動的挙動観察
Outline of Research at the Start

本研究の目的は,結晶多形現象の原子レベルでの機構を原子分解能透過電子顕微鏡(TEM)直接観察により明らかにすることである.鍵となるのはカーボンナノチューブ(CNT)を担持剤とした合目的的ナノスケール反応場デザイン手法の開発である.試料に応じて適切な化学修飾を施したCNTを担持剤とすることで,結晶化過程の原子分解能その場観察を実現し,結晶化における多形選択性の起源解明を目指す.

Outline of Annual Research Achievements

本年度は,昨年度発見したサイズ依存構造相転移の機構解明および難溶性・不溶性化合物の多形選択プロセス観察の実現を目指して検討を行った.前者については,我々の先行研究において実現されたカーボンナノチューブ(CNT)をナノフラスコとする単分子原子分解能時間分解電子顕微鏡(SMART-EM)イメージング法による結晶化観察を応用し,ヨウ化ナトリウム(NaI)の昇華および塩化セシウム(CsCl)の結晶化をその場観察することで,結晶サイズの変化が結晶構造選択性に及ぼす影響の解明に取り組んだ.その結果,結晶成長初期および昇華後期における微小サイズ領域では,NaI,CsClどちらにおいてもバルク安定相とは異なる結晶構造が形成されることや気相からの結晶成長と昇華ではその機構に非対称性が存在していることが明らかとなった.これは結晶成長学の理解深化だけでなく,将来的なナノマテリアル設計にも繋がりうる知見である(M. Sakakibara et al., ChemRxiv, 10.26434/chemrxiv-2024-ms4t7).
続いて,ナノフラスコへの包摂が不可能であった低溶解性化合物の結晶化その場観察を実現するために,CNT表面を反応場とする新規試料調製法を開発した.これにより,セラミックスなどの材料科学的に重要な化合物についてもその多形選択機構の研究が可能となった.さらにこの手法を用いてファインセラミックス材料として広く用いられているアルミナ(Al2O3)の結晶核生成過程を可視化し,核生成以前のクラスターが複数の結晶構造および非晶質状態間で構造を揺らがせていることが明らかにした.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本研究は,結晶化過程における結晶多形現象の起源解明を目的としている.2年目にあたる本年度は,ヨウ化ナトリウム(NaI)および塩化セシウム(CsCl)をモデル化合物としてその結晶サイズ変化に伴う構造ダイナミクスを連続観察することでクラスターサイズと結晶構造との関係性を探求した.これにより,核生成直後のクラスター構造は必ずしもバルク安定相と一致しないことが明らかになり,バルクで未発見の構造までもが過渡的に形成されていることを発見した.さらに,新たな試料調製法の開発によりセラミックス材料の結晶核生成過程における構造動態を追跡することで,核生成過程における結晶構造間での確率論的な構造揺らぎの存在を見出した.
以上のように,現在までに当初の想定を超えた多くの重要な知見が得られており,計画以上に進展しているといえる.

Strategy for Future Research Activity

今後は,本年度に観察された核生成過程における確率論的構造ダイナミクスへの理解をより深めるために,シミュレーションなど理論的な側面からの検討を進める.また,材料科学やバイオミネラリゼーションの観点から重要な物質群の結晶化および結晶多形現象の観察実現のために今年度開発されたCNT表面を利用する観察手法の応用開発を進め,結晶多形現象の精密制御実現に寄与する知見の獲得を目指す.

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (15 results)

All 2024 2023 2022

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (13 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] 塩化ナトリウムの結晶化のしくみ2024

    • Author(s)
      榊原雅也,中室貴幸,中村栄一
    • Journal Title

      化学と教育

      Volume: 72 Pages: 46-49

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Cinematographic Recording of a Metastable Floating Island in Two- and Three-Dimensional Crystal Growth2022

    • Author(s)
      Sakakibara Masaya、Nada Hiroki、Nakamuro Takayuki、Nakamura Eiichi
    • Journal Title

      ACS Central Science

      Volume: 8 Issue: 12 Pages: 1704-1710

    • DOI

      10.1021/acscentsci.2c01093

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 透過電子顕微鏡による結晶表面分子動態の可視化と定量解析2024

    • Author(s)
      榊原雅也,中室貴幸
    • Organizer
      北海道大学低温科学研究所ワークショップ「結晶表面での相転移ダイナミクスのその場観察と理論の新展開」
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Exploring the Origin of Polymorphism through In-situ Observation of Aluminum Oxide Formation2024

    • Author(s)
      Masaya Sakakibara, Takayuki Nakamuro, Eiichi Nakamura
    • Organizer
      日本化学会第104春季年会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Atomistic Dynamics in Crystal Nucleation and Growth Revealed by Electron Microscopic Observation2024

    • Author(s)
      Masaya Sakakibara
    • Organizer
      15th HOPE Meeting
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Al2O3核形成過程その場観察による多形選択機構解明2023

    • Author(s)
      榊原雅也,中室貴幸,中村栄一
    • Organizer
      日本顕微鏡学会第79回学術講演会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] “Seeing is believing” Surface Catalysis in Crystal Nucleation and Epitaxy2023

    • Author(s)
      Masaya Sakakibara, Takayuki Nakamuro, Eiichi Nakamura
    • Organizer
      20th International Conference on Crystal Growth and Epitaxy
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Al2O3核生成クラスターにおける多形間揺らぎの直接観察2023

    • Author(s)
      榊原雅也,中室貴幸,中村栄一
    • Organizer
      第52回結晶成長国内会議
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Catalytic Activities of Surface and Mechanical Stimulus for Crystal Growth Revealed by Millisecond TEM Imaging2023

    • Author(s)
      Masaya Sakakibara, Hiroki Nada, Takayuki Nakamuro, Eiichi Nakamura
    • Organizer
      IAMNano2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Atomistic Dynamics of “Floating Island” Transiently Formed in Two-Dimensional Nucleation2023

    • Author(s)
      Masaya Sakakibara, Hiroki Nada, Takayuki Nakamuro, Eiichi Nakamura
    • Organizer
      20th International Conference on Crystal Growth and Epitaxy
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 結晶成長ミリ秒TEMイメージングによる「浮き島」中間体の動態解析2023

    • Author(s)
      榊原雅也,灘浩樹,中室貴幸,中村栄一
    • Organizer
      第1回メゾヒエラルキー若手会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] “Floating Island”, a Metastable Intermediate in Crystal Growth Revealed by Millisecond TEM Imaging2023

    • Author(s)
      Masaya Sakakibara, Hiroki Nada, Takayuki Nakamuro, Eiichi Nakamura
    • Organizer
      日本化学会第103春季年会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] NaClエピタキシャル成長過程ミリ秒イメージングによる過渡構造解析2022

    • Author(s)
      榊原雅也, 中室貴幸, 灘浩樹, 中村栄一
    • Organizer
      日本顕微鏡学会第78回学術講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] アルカリハライド結晶成長における準安定過渡構造の原子分解能直接観察2022

    • Author(s)
      榊原雅也, 花澤美幸, 灘浩樹, 中室貴幸, 中村栄一
    • Organizer
      第51回結晶成長国内会議
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 電子顕微鏡で見る結晶誕生の瞬間2022

    • Author(s)
      榊原雅也
    • Organizer
      大学院教育改革フォーラム2022
    • Related Report
      2022 Annual Research Report

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Published: 2022-04-28   Modified: 2024-12-25  

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