気相－液相融合によるナノ物質科学の新開拓：クラスターマテリアルの創製

• Project/Area Number: 23K17349
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 28:Nano/micro science and related fields
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 寺嵜 亨 九州大学, 理学研究院, 教授 (60222147)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 堀尾 琢哉 九州大学, 理学研究院, 准教授 (40443022) ; 荒川 雅 九州大学, 理学研究院, 准教授 (10610264)
• Project Period (FY): 2023-06-30 – 2028-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000); Fiscal Year 2027: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2026: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2025: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2024: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2023: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
• Keywords: ナノ物質科学 / クラスター / 超原子 / 気相化学 / 液相化学

Outline of Research at the Start

本研究は、原子分子クラスターの中でも、物質の新たな構成要素となる可能性をもつ「超原子」に着目し、超原子クラスターが組織的に集積した「クラスターマテリアル」の創製およびその物性科学を推進する。特に、マテリアル創製において気相・液相の科学を融合した新たな方法論を開拓し、新規ナノ物質の創製に取り組む。一方、光や電子による先端的な分析技術で、構造解析と物性評価に取り組む。以上により、クラスターを基盤とする新たな物質設計論を構築し、ナノ物質科学を新展開に導く。

Outline of Annual Research Achievements

液相研究では、前年度に、水液滴に微量のポリオールを混合すると凍結が遅延することを見出し、ポリオールとして、エチレングリコール、グリセロール、キシリトールの3種を取り上げて、系統的に実験を行った。本年度は、これらの実験結果を整理して解析を進め、論文発表を行った。一方、実験・解析を進める中で、ポリオール混合による均質凍結核生成温度の低下が凍結遅延の主要因と推測し、昨年度から分子動力学計算による理論解析を開始した。本年度は、純水の均質凍結核生成速度の評価に続き、エチレングリコール混合系のシミュレーションを精度を高めて進め、凍結核生成速度の温度依存性を純水と比較した。その結果、凍結核生成速度の増大が純水よりも低温域で起きることを確認し、学会発表を行った。
気相研究では、前年度に引き続き、超原子クラスター種の探索を推進した。主な成果として、VもしくはMnを添加したAgクラスター正イオンについて、紫外－可視スペクトルを測定し、量子化学計算を併用して電子構造・幾何構造の解析を行った。とりわけ、原子数13個かつ価電子数18個を有するAg12Mn+クラスターについて、先鋭な単一のピークを呈する吸収スペクトルが観測され、対称性の高い正二十面体構造を有する特異的に安定な超原子種を示唆する成果を得た。なお、Ag12V+は、やや対称性の低い構造が示唆された。ただし、どちらの系も量子化学計算が示唆する最安定構造と整合せず、実験と理論との整合性の解決が今後の課題となった。一方で、昨年度に開始したCuクラスターの研究をさらに推進し、量子化学計算との対応に基づいた8～14量体の幾何構造解析から、クラスターの成長過程を特徴づける成果を得た。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

年度途中までは順調に実験・成果発表を進めていたが、年度後半に金属クラスター発生装置が故障し、その修理・復旧に時間を要している。

Strategy for Future Research Activity

まず、金属クラスター発生装置の復旧に注力し、復帰後には気相クラスターの生成と特性評価を継続して進めて行く。その一方で、液相実験では、真空中の種々の水溶液液滴を対象に熱力学過程の研究を進めるとともに、並行して分子動力学シミュレーションを活用した理論研究に取り組む。

Research Products

• [Journal Article] Freezing delay of water droplets in a vacuum caused by polyol addition (2024)
  • Author(s): T. Yoshioka, T. Kusumoto, T. Handa, M. Arakawa, and A. Terasaki
  • Journal Title: Chem. Lett. Volume: 53 Issue: 12
  • DOI: 10.1093/chemle/upae222
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Dopant effects on the electronic and geometric structures of silver clusters: UV-VIS photodissociation studies (2025)
  • Author(s): O. V. Lushchikova, M. Hirakawa, Y. Aonuma, U. Kawamura, T. Horio, and A. Terasaki
  • Organizer: 日本化学会第105春季年会
• [Presentation] Advances in spectroscopic studies of size-selected metal clusters (2024)
  • Author(s): A. Terasaki
  • Organizer: Symposium on Advances in Cluster Science, Nanobiotechnology, and Energy Materials
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Superatomic behaviors of nanoscale metals: Size-selected silver and doped-silver clusters (2024)
  • Author(s): A. Terasaki
  • Organizer: 5th International Conference on Emerging Advanced Nanomaterials (ICEAN 2024)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Superatomic silver and doped-silver clusters characterized by optical absorption, photoelectron imaging, and chemical processes (2024)
  • Author(s): A. Terasaki
  • Organizer: AsiaNANO 2024
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 真空中の水液滴の凍結過程：ポリオール添加効果の観測と分子動力学シミュレーション (2024)
  • Author(s): 吉岡拓哉、荒川 雅、秋山 良、寺嵜 亨
  • Organizer: 第18回分子科学討論会
• [Presentation] 紫外・可視光解離分光によるCuクラスター正イオンの幾何構造の探究 (2024)
  • Author(s): 川村右京、青沼優奈、平川未歩、飯田岳史、Olga V. Lushchikova、荒川 雅、堀尾琢哉、寺嵜 亨
  • Organizer: 第18回分子科学討論会
• [Presentation] 紫外・可視光解離分光によるAgNM+（M = Sc, Al）の幾何・電子構造の解析 (2024)
  • Author(s): 平川未歩、青沼優奈、川村右京、飯田岳史、山口雅人、荒川 雅、堀尾琢哉、寺嵜 亨
  • Organizer: 第18回分子科学討論会
• [Presentation] 3d遷移金属原子を添加した銀クラスター正イオンの光解離分光：添加元素種によるスペクトルの変化 (2024)
  • Author(s): 青沼優奈、平川未歩、川村右京、飯田岳史、山口雅人、荒川 雅、堀尾琢哉、寺嵜 亨
  • Organizer: 第18回分子科学討論会
• [Presentation] 真空中のポリオール添加水液滴の凍結過程：凍結時間の観測と分子動力学シミュレーションによる解析 (2024)
  • Author(s): 吉岡拓哉、荒川 雅、秋山 良、寺嵜 亨
  • Organizer: 日本化学会第104春季年会
• [Presentation] 真空中の蒸発冷却による水液滴の均質凍結：液滴径変化の光測定と相転移挙動の高速画像観察 (2024)
  • Author(s): 飯田岳史、堀尾琢哉、荒川 雅、寺嵜 亨
  • Organizer: 日本化学会第104春季年会
• [Remarks] 九州大学大学院理学研究院化学部門量子化学研究室ホームページ
  • URL: https://www.scc.kyushu-u.ac.jp/quantum/index_j.php
• [Remarks] 九州大学大学院理学研究院化学部門量子化学研究室ホームページ
  • URL: http://www.scc.kyushu-u.ac.jp/quantum/index_j.php