Functional Graded Porous Materials Fabricated by Mesoscale Self-Assembly of Metal-Organic Polyhedra

• Project Area: Coordination Asymmetry: Design of Asymmetric Coordination Sphere and Anisotropic Assembly for the Creation of Functional Molecules
• Project/Area Number: 19H04575
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 古川 修平 京都大学, 高等研究院, 教授 (90452276)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2020: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2019: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
• Keywords: 金属錯体多面体 / ソフトマテリアル / 傾斜機能材料 / メゾスコピック / 自己組織化 / 多孔性材料 / 傾斜材料 / 軽鎖機能材料

Outline of Research at the Start

本研究では、金属錯体多面体（MOP）を基盤とする多孔性ゲルを用いて、異方的かつ連続的な密度勾配を有する傾斜機能材料を創成する。特に、MOPを超分子重合する際の自己集合化プロセスにおいて、メゾスケール領域で異方性を導入することで、ゲルネットワーク構造の密度及びトポロジーの制御を行い、マクロ物性との相関を解明する。最終的には、異方的物質輸送、連続的触媒反応、アクチュエータといった傾斜材料特有の機能発現へとつなげる。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、金属錯体多面体(MOP)を基盤とする多孔性ゲルを用いて、異方的かつ連続的な密度勾配を有する傾斜機能材料を創成する。特に 、MOPを超分子重合する際の自己集合化プロセスにおいて、メゾスケール領域で異方性を導入することで、ゲルネットワーク構造の密度及びトポロジーの制御を行い、マクロ物性との相関を解明する。最終的には、異方的物質輸送、連続的触媒反応、アクチュエータといった傾斜材料特有の機能発現へとつなげる。 MOPは空間の基本単位として認識でき、非周期的、異方的、非対称的ネットワークへと集積化させてもその空間特性は失われることはない。空間単位をより複雑にネットワーク化していくと いう概念そのものは全く提唱されておらず、本研究の最も独創的な点である。将来的には、空間基本単位を3次元空間に自由に配置し、異方的物質輸送、反応の区画化と連動といった新しい化学システムの実現が期待される。
前年度及び繰越した本年度は、光によるMOPゲル化の空間制御及びパターニングを行った。初年度の研究では時間分解動的光散乱測定による実験によ り、MOPとビスイミダゾール系リンカーがどのような階層的自己集合化によりゲル化しているのかを明らかにすることに成功した。今年度は、ゲル化を誘起する手法を温度から酸添加へと拡張した。この手法により、室温において酸性度を上げることでゲル化を誘起できることを明らかにした。さらに光酸発生剤であるピラニンを用いることで、レーザー光で光照射した溶液の場所のみ酸性度が上がり、ゲル化を制御できることを示した。本研究により光を用いた傾斜材料の構築が可能であることを示した。また、多孔性材料と非対称性、傾斜に関する総説を執筆した。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Notre Dame(米国)
• [Journal Article] Rhodium-Based Metal-Organic Polyhedra Assemblies for Selective CO₂ Photoreduction (2022)
  • Author(s): Ghosh Ashta C.、Legrand Alexandre、Rajapaksha R?my、Craig Gavin A.、Sassoye Capucine、Bal?zs G?bor、Farrusseng David、Furukawa Shuhei、Canivet J?r?me、Wisser Florian M.
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 144 Issue: 8 Pages: 3626-3636
  • DOI: 10.1021/jacs.1c12631
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Assembling metal?organic cages as porous materials (2022)
  • Author(s): Sanchez-Gonzalez Eli、Tsang Min Ying、Troyano Javier、Craig Gavin A.、Furukawa Shuhei
  • Journal Title: Chemical Society Reviews Volume: － Issue: 12 Pages: 4876-4889
  • DOI: 10.1039/d1cs00759a
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Directional asymmetry over multiple length scales in reticular porous materials (2021)
  • Author(s): Legrand Alexandre、Wang Zaoming、Troyano Javier、Furukawa Shuhei
  • Journal Title: Chemical Science Volume: 12 Issue: 1 Pages: 18-33
  • DOI: 10.1039/d0sc05008c
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Spatiotemporal Control of Supramolecular Polymerization and Gelation of Metal?Organic Polyhedra (2021)
  • Author(s): Legrand Alexandre、Liu Li-Hao、Royla Philipp、Aoyama Takuma、Craig Gavin A.、Carn?-S?nchez Arnau、Urayama Kenji、Weigand Jan J.、Lin Chia-Her、Furukawa Shuhei
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 143 Issue: 9 Pages: 3562-3570
  • DOI: 10.1021/jacs.1c00108
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mechanoresponsive Porosity in Metal-Organic Frameworks (2021)
  • Author(s): Troyano Javier、Legrand Alexandre、Furukawa Shuhei
  • Journal Title: Trends in Chemistry Volume: 3 Issue: 4 Pages: 254-265
  • DOI: 10.1016/j.trechm.2021.01.004
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Porous Colloidal Hydrogels Formed by Coordination‐Driven Self‐Assembly of Charged Metal‐Organic Polyhedra (2021)
  • Author(s): Wang Zaoming、Craig Gavin A.、Legrand Alexandre、Haase Frederik、Minami Saori、Urayama Kenji、Furukawa Shuhei
  • Journal Title: Chemistry - An Asian Journal Volume: 16 Issue: 9 Pages: 1092-1100
  • DOI: 10.1002/asia.202100080
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Multiscale structural control of linked metal-organic polyhedra gel by aging-induced linkage-reorganization (2021)
  • Author(s): Wang Zaoming、Villa Santos Christian、Legrand Alexandre、Haase Frederik、Hara Yosuke、Kanamori Kazuyoshi、Aoyama Takuma、Urayama Kenji、Doherty Cara M.、Smales Glen J.、Pauw Brian R.、Col?n Yamil J.、Furukawa Shuhei
  • Journal Title: Chemical Science Volume: 12 Issue: 38 Pages: 12556-12563
  • DOI: 10.1039/d1sc02883a
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Hysteresis in the gas sorption isotherms of metal?organic cages accompanied by subtle changes in molecular packing (2020)
  • Author(s): Craig Gavin A.、Larpent Patrick、Urabe Hinano、Legrand Alexandre、Bonneau Mickaele、Kusaka Shinpei、Furukawa Shuhei
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 56 Issue: 25 Pages: 3689-3692
  • DOI: 10.1039/d0cc00932f
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Understanding the role of linker flexibility in soft porous coordination polymers (2020)
  • Author(s): Colon Yamil J.、Furukawa Shuhei
  • Journal Title: Molecular Systems Design & Engineering Volume: 5 Issue: 1 Pages: 284-293
  • DOI: 10.1039/c9me00117d
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Understanding the multiscale self-assembly of metal?organic polyhedra towards functionally graded porous gels (2019)
  • Author(s): Legrand Alexandre、Craig Gavin A.、Bonneau Mickaele、Minami Saori、Urayama Kenji、Furukawa Shuhei
  • Journal Title: Chemical Science Volume: 10 Issue: 47 Pages: 10833-10842
  • DOI: 10.1039/c9sc04543k
  • NAID: 120006940301
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 階層的自己集合化を用いた多孔性錯体ソフトマテリアルの創成 (2020)
  • Author(s): 古川修平
  • Organizer: 第69回高分子討論会
  • Invited
• [Presentation] Formation of colloidal particles and gels based on porous metal-organic polyhedra by pathway selection in self-assembly (2019)
  • Author(s): Shuhei Furukawa, Alexandre Legrand, Gavin Craig, Frederik Haase, Zhaoming Wang
  • Organizer: OKINAWA COLLIDS 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Porous soft matter based on metal-organic polyhedra (2019)
  • Author(s): Shuhei Furukawa
  • Organizer: 7th Asian Conference on Coordination Chemistry
  • Int'l Joint Research / Invited