Novel solid-state properties by combination of carbon allotropes' topology and molecular freedom

• Project Area: Discrete Geometric Analysis for Materials Design
• Project/Area Number: 18H04482
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 阿波賀 邦夫 名古屋大学, 理学研究科, 教授 (10202772)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000); Fiscal Year 2019: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2018: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
• Keywords: 強等方性 / ハニカム格子 / 分子結晶 / 立体π共役系 / トポロジー / 強等方性結晶 / ハニカム

Outline of Annual Research Achievements

ハニカム格子をもつグラフェンがDirac coneと呼ばれる特異なバンド構造をもち、特異な電子物性を示すことはよく知られている。我々は、このようなハニカム格子を分子結晶で実現し、バンドフィリング制御から人工的にDirac電子系をつくり出す研究を展開している。ハニカム分子格子をつくり出すため、C3回転軸をもつ立体π共役分子（3つのπ平面から構成され、それらの法線は60°または120°の角度をなす分子）に注目して分子合成を試みている。
本年度は、拡張されたπ共役糸と電子受容体能力をもつ、フェナジン部位をトリプチセン骨格に付加したTrip-Phzを合成した。結晶構造解析を行ったところ、 フェナジン部位間のファンデルワールス相互作用によりハニカム格子が形成され、またCH…N水素結合により、ハニカム骨格が層間で重なり合うことが分かった。その結果、ハニカム格子に垂直に、直径1nm 程度の太い1Dチャネルが形成されることが分かった。トリプチセン分子骨格からは当然だが、この1Dチャネルの内面はアクセプター性をもつπ電子で覆われていると予想される。この構造から引き出される物性を探索するため、この結晶をさまざまな濃度のTTF溶液に浸したところ、電荷移動（CT）吸収体の出現/消失を伴いながら、可逆的にTTFがチャネル内に吸着/脱着され、その吸収強度とTTF溶液濃度の関係はLangmuirの方程式でよく説明されることが分かった。これは、TTFのモノレイヤー吸着を示唆している。ホスト‐ゲスト間のCT相互作用の発現は初めてではないが、吸着量の自在制御はおそらく初めての例である。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Seoul National University/The Catholic University of Korea(韓国)
• [Int'l Joint Research] The University of Edinburgh/Imperial College London(英国)
• [Int'l Joint Research] Peking University/East China Normal University(中国)
• [Journal Article] Salt-assisted pyrolysis of covalent organic frameworks to porous heteroatom-doped carbons for supercapacitive energy storage (2019)
  • Author(s): Yan Dongwan、Wu Yang、Kitaura Ryo、Awaga Kunio
  • Journal Title: Journal of Materials Chemistry A Volume: 7 Issue: 47 Pages: 26829-26837
  • DOI: 10.1039/c9ta05150c
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High Ambipolar Mobility in a Neutral Radical Gold Dithiolene Complex (2019)
  • Author(s): Mizuno Asato、Benjamin Helen、Shimizu Yasuhiro、Shuku Yoshiaki、Matsushita Michio M.、Robertson Neil、Awaga Kunio
  • Journal Title: Advanced Functional Materials Volume: 29 Issue: 42 Pages: 1904181-1904181
  • DOI: 10.1002/adfm.201904181
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Electron Highways into Nanochannels of Covalent Organic Frameworks for High Electrical Conductivity and Energy Storage (2019)
  • Author(s): Wu Yang、Yan Dongwan、Zhang Zhongyue、Matsushita Michio M.、Awaga Kunio
  • Journal Title: ACS Applied Materials & Interfaces Volume: 11 Issue: 8 Pages: 7661-7665
  • DOI: 10.1021/acsami.8b21696
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] An exotic band structure of a supramolecular honeycomb lattice formed by a pancake π-π interaction between triradical trianions of triptycene tribenzoquinone (2018)
  • Author(s): Y. Shuku, A. Mizuno, R. Ushiroguchi, C.S. Hyun, Y.J. Ryu, B-.W. An, J.E. Kwon, S.Y. Park, M. Tsuchiizu, and K. Awaga
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 54 Issue: 31 Pages: 3815-3818
  • DOI: 10.1039/c8cc00753e
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 3D molecular network and magnetic ordering, formed by multi-dentate magnetic couplers, bis(benzene)chromium(i) and [1,2,5]thiadiazolo[3,4-c][1,2,5]thiadiazolidyl (2018)
  • Author(s): Shuku Yoshiaki、Hirai Yuta、Semenov Nikolay A.、Kadilenko Evgeny、Gritsan Nina P.、Zibarev Andrey V.、Rakitin Oleg A.、Awaga Kunio
  • Journal Title: Dalton Transactions Volume: 47 Issue: 29 Pages: 9897-9902
  • DOI: 10.1039/c8dt02214c
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] In Situ Real-Time Measurements for Ambipolar Channel Formation Processes in Organic Double-Layer Field-Effect Transistors of CuPc and F16CuPc (2018)
  • Author(s): Eguchi Keitaro、Matsushita Michio M.、Awaga Kunio
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 122 Issue: 45 Pages: 26054-26060
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b08744
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Multi-functional dithiadiazolyl radicals: Fluorescence, electro-luminescence and photo-conducting behavior in pyren-1′-yl-dithiadiazolyl (2018)
  • Author(s): Yassine Beldjoudi, Mitchell Nascimento, Yong Cho, Hyeonghwa Yu, Hany Aziz, Daiki Tonouchi, Keitaro Eguchi, Michio M. Matsushita, Kunio Awaga, Igor Osorio-Roman, Christos Constantinides and Jeremy Rawson
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 印刷中 Issue: 20 Pages: 6260-6270
  • DOI: 10.1021/jacs.7b12592
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Spin Liquid States in Spin-Frustrated Systems of Organic Radicals (2018)
  • Author(s): K. Awaga
  • Organizer: ICM2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Multi-dimensional magnetic systems formed by polyhedral π-conjugated radicals (2018)
  • Author(s): K. Awaga
  • Organizer: ICCC2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Triptycene-derived Metal-Organic Frameworks: Unusual Topologies and Physical Properties (2018)
  • Author(s): 張 中岳、阿波賀 邦夫
  • Organizer: 有機固体若手の会 2018秋の学校
• [Presentation] 特異なトポロジーと電子物性を有すTriptycene‐金属有機構造体の開発 (2018)
  • Author(s): 張 中岳、阿波賀 邦夫
  • Organizer: 第12回分子科学討論会
• [Remarks] 物性化学研究室
  • URL: http://advmat.chem.nagoya-u.ac.jp/
• [Patent(Industrial Property Rights)] 炭素材料の製造方法、電極の製造方法電極、及び電気化学デバイス (2019)
  • Inventor(s): 阿波賀邦夫, 張中岳, Yang Wu, Dongwan Yan
  • Industrial Property Rights Holder: 阿波賀邦夫, 張中岳, Yang Wu, Dongwan Yan
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2019
• [Patent(Industrial Property Rights)] ハイブリッド材料の製造方法、ハイブリッド材料、電極の製造方法、電極、及び電気化学デバイス (2018)
  • Inventor(s): 阿波賀邦夫, 張中岳, Yang Wu
  • Industrial Property Rights Holder: 阿波賀邦夫, 張中岳, Yang Wu
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2018