ナノシートの異方性を用いた光圧による巨大配向構造の誘起と機能性ナノシートの光操作

• Project Area: Nano-Material Manipulation and Structural Order Control with Optical Forces
• Project/Area Number: 19H04677
• 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: Yamaguchi University
• Principal Investigator: 鈴木 康孝 山口大学, 大学院創成科学研究科, 准教授 (30634753)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2020: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2019: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: 光マニピュレーション / ナノシート / グラフェン / 光化学 / 非線形光学

Outline of Research at the Start

ナノシートは、厚さが１ナノメートル程度、広がり方向のサイズが数マイクロメートルに及ぶ二次元の異方性粒子である。ナノシートは、特異的な電子的性質を示し、大きな注目を集めている。応募者は、一枚のナノシートを光圧により自在に制御することに世界で初めて成功した。この成果は、ナノシートを高機能な光・電子デバイスに応用する上でボトルネックとなっていた「向き配置を自在に制御すること」を可能にする技術として大きな注目を集めている。本研究では、レーザーの光圧を利用し、多数のナノシートの向き・場所を時空間的に自在に制御できるようにする。さらに、機能性に優れたナノシートの光トラッピングにも挑む。

Outline of Annual Research Achievements

応募者は、ナノシートの光マニュピレーションの先駆者である。これまでの研究でレーザー光によりナノシートの位置と配向を完全に制御できること、ナノサイズのビルディングブロックから、100 マイクロメートル以上にも及ぶ大きな配向構造を構築することに成功している。ナノシートの位置と配向の完全制御を受けて、産業会からは、①より小さなパワーでの光マニュピレーションとセンチメートルオーダーの配向構造の実現、②グラフェンなどの導電性のナノシートの位置と配向の自在制御を要請されている。そこで、本研究では、これら二つの課題に取り組んだ。その結果、レーザー光の偏光方向に沿った200マイクロメートル以上にも及ぶシート状の巨大配向構造の構築を実現した。焦点可変レンズを用いた集光点と異なる場所での観察を通して、このレーザー光によって誘起された配向構造が、光圧によって引き起こされる配向したナノシートが流動することによって生成することを明らかにした。また、機能性ナノシートの代表である酸化グラフェンの光マニピュレーションにおいては、電極材料として期待されているニオブ酸ナノシート、チタン酸ナノシートとの異種ナノシート積層体をナノシート同士の重なりを制御しながら生成することが可能であることを見出した。
研究のさらなる進展としては、現在、酸化グラフェンと他の金属酸化物ナノシートとのヘテロ積層構造の電気物性の評価を検討している。光マニピュレーションで得られる積層構造は、コロイド溶液が存在する液中の基板上に生成される。電気物性の評価には、液中からナノ構造体を取り出す必要があるため、液中からの取り出しを行う研究を行なっている。また、剥離するのが難しいが、より機能性の高いグラフェンの液中剥離にも取り組んでいる。液中で剥離したグラフェンは、そのまま光操作できるコロイドとして得られるので、より優れた機能性材料の創出が期待できる。

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] Tripura University(インド)
• [Int'l Joint Research] University of Bayreuth(ドイツ)
• [Journal Article] Formation of a giant anisotropically ordered assembled structure of inorganic nanosheets through optically induced stream (2022)
  • Author(s): Yasutaka Suzuki, Takashi Nagashita, Akira Ikeda, Katsuhiro Ishii, Toshiaki Iwai, Teruyuki Nakato, Jun Kawamata.
  • Journal Title: Langmuir Volume: - Issue: 21 Pages: 6647-6652
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.2c00528
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Functional flexible molecular crystals: intrinsic and mechanoresponsive properties (2021)
  • Author(s): Seki Tomohiro、Hoshino Norihisa、Suzuki Yasutaka、Hayashi Shotaro
  • Journal Title: CrystEngComm Volume: - Issue: 34 Pages: 5686-5696
  • DOI: 10.1039/d1ce00388g
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Integrated Fluorescent Nanoprobe Design for High‐Speed In Vivo Two‐Photon Microscopic Imaging of Deep‐Brain Vasculature in Mice (2021)
  • Author(s): Takezaki Minami、Kawakami Ryosuke、Onishi Shozo、Suzuki Yasutaka、Kawamata Jun、Imamura Takeshi、Hadano Shingo、Watanabe Shigeru、Niko Yosuke
  • Journal Title: Advanced Functional Materials Volume: 2021 Issue: 20 Pages: 2010698-2010698
  • DOI: 10.1002/adfm.202010698
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ferroelectric columnar assemblies from the bowl-to-bowl inversion of aromatic cores (2021)
  • Author(s): Furukawa Shunsuke、Wu Jianyun、Koyama Masaya、Hayashi Keisuke、Hoshino Norihisa、Takeda Takashi、Suzuki Yasutaka、Kawamata Jun、Saito Masaichi、Akutagawa Tomoyuki
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 768-768
  • DOI: 10.1038/s41467-021-21019-4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dynamic structural reconstruction of (guanidinium+)2(benzene-1,4-disulfonate2) host crystal by guest adsorption (2021)
  • Author(s): Abe Haruka、Kobayashi Takahiro、Hoshino Norihisa、Takeda Takashi、Suzuki Yasutaka、Kawamata Jun、Akutagawa Tomoyuki
  • Journal Title: CrystEngComm Volume: 23 Issue: 5 Pages: 1149-1157
  • DOI: 10.1039/d0ce01616k
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Self-standing films of tetraindolyl derivative and saponite clay mineral with reversible colour switching properties (2020)
  • Author(s): Sarkar Surajit、Deb Barnali、Dey Bapi、Suklabaidya Sudip、Chakraborty Santanu、Bhattacharjee Debajyoti、Majumdar Swapan、Suzuki Yasutaka、Kawamata Jun、Hussain Syed Arshad
  • Journal Title: Journal of Physics and Chemistry of Solids Volume: 144 Pages: 109487-109487
  • DOI: 10.1016/j.jpcs.2020.109487
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Optical manipulation of a single clay nanosheet hybridized with a porphyrin derivative (2020)
  • Author(s): Higashi Yuki、Suzuki Yasutaka、Nakato Teruyuki、Tominaga Makoto、Breu Josef、Iwai Toshiaki、Kawamata Jun
  • Journal Title: OSA Continuum Volume: 3 Issue: 6 Pages: 1545-1545
  • DOI: 10.1364/osac.393652
  • NAID: 120006976082
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Water-Soluble Red-Fluorescent Dyes for Two-Photon Deep-Tissue Imaging (2020)
  • Author(s): Onishi Shozo、Suzuki Yasutaka、Ano Hikari、Kawamata Jun
  • Journal Title: Bulletin of the Chemical Society of Japan Volume: 93 Issue: 10 Pages: 1226-1233
  • DOI: 10.1246/bcsj.20200090
  • NAID: 130007926154
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synthesis of 2,6,9-substituted xanthen-3-one and solvent effect on structural and photophysical properties (2020)
  • Author(s): Koide Taro、Iwamori Shohei、Koga Satoshi、Suzuki Yasutaka、Kawamata Jun、Hisaeda Yoshio
  • Journal Title: Dyes and Pigments Volume: 183 Pages: 108667-108667
  • DOI: 10.1016/j.dyepig.2020.108667
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Multi-photon fluorescence microscopy imaging of mitochondria in living cells excited by Yb-doped femtosecond fiber laser utilizing two- and three-photon competitive absorption (2020)
  • Author(s): Moritomo H.、Onishi S.、Makino Y.、Matsumoto K.、Suzuki Y.、Kawamata J.
  • Journal Title: AIP Advances Volume: 10 Issue: 9 Pages: 095219-095219
  • DOI: 10.1063/5.0004953
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ニオブ酸ナノシートへのカチオン吸着過程の光学顕微鏡観察 (2022)
  • Author(s): 原田拓海、鈴木康孝、毛利恵美子、中戸晃之、川俣純
  • Organizer: 日本化学会 第102春季年会(2022)
• [Presentation] 光マニピュレーションを用いたナノシートからなる構造体の作製 (2022)
  • Author(s): 中尾脩二、鈴木康孝、川俣純
  • Organizer: 日本化学会 第102春季年会(2022)
• [Presentation] Selective absorption of organic molecule on the optically manipulating single layered fruorohectorite (2021)
  • Author(s): Takumi Harada,Masahiro Yahara,Yasutaka Suzuki, Jun Kawamata
  • Organizer: Pacifichem 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 酸化グラフェンの光マニピュレーション (2021)
  • Author(s): 鈴木康孝、中尾脩二、池田暉、川俣純
  • Organizer: 第17回バイオオプティクス研究会
  • Invited
• [Presentation] コロイド状態にある粘土ナノシート中の特定の一枚のみへの有機化合物の吸着 (2021)
  • Author(s): 原田拓海、矢原正寛、鈴木康孝、川俣純
  • Organizer: 日本化学会「低次元系光機能材料研究会」第10回サマーセミナー2021