Structural dynamics of soft crystals filmed by table-top ultrafast electron diffraction

• Project Area: Soft Crystals: Science and Photofunctions of Easy-Responsive Systems with Felxibility and Higher-Ordering
• Project/Area Number: 20H04657
• 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: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 羽田 真毅 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (70636365)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2021: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2020: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: ソフトクリスタル / 構造ダイナミクス / 超高速現象 / 時間分解電子線回折法

Outline of Research at the Start

テーブルトップ型超高速時間分解電子線回折法を駆使して、外部刺激に応答するソフトクリスタルの分子動画の撮影を行う。次世代の外部刺激応答性を有する分子組織体の創出のためには、刺激応答中の過渡的な分子構造を理解することが一つの重要課題であると考えられる。我々は、日本で先駆けて時間分解能500フェムト秒を持つテーブルトップ型の超高速時間分解電子線回折装置を完成させている。本装置を用いて、分子間相互作用が深く関わる結晶・液晶などのいわゆるソフトクリスタルの分子凝集系を対象として、外部刺激によって変化の生じる分子構造をダイナミックに観測する。

Outline of Annual Research Achievements

本公募研究では、テーブルトップ型超高速時間分解電子線回折法を駆使して、外部刺激応答性の結晶や液晶などのソフトクリスタルの分子動画を撮影する。すなわち、その物質の立体構造を理解し、外部刺激で誘起される構造変化ダイナミクスの詳細を解明することを目的としている。
2021年度は、領域内の共同研究としてダブルペロブスカイトコバルト酸化物であるEuBaCo2O5.39結晶中で光照射によって酸化物イオンが運動する様子を時間分解電子線回折法を用いて観測することに成功し、その成果をApplied Materials Today誌に掲載し、筑波大学、東京工業大学、広島工業大学から共同でプレス・リリースを行った。また、前回の公募研究で得られた成果である酸化グラフェンの光還元のメカニズムの続報として、光照射によって酸化グラフェンが二層化する現象の観測に成功し、Carbon誌に掲載された。その他、時間分解電子線回折法によって得られた構造ダイナミクスから着想した材料設計を行い、より高機械強度、高電気伝導度、高熱伝導度を持つナノカーボン複合体の作製にも成功しており、この研究結果は、Nanotechnology誌に掲載された。現在、羽ばたくことで剥離を生じる結晶・液晶分子や、超イオン伝導を示す銅硫化物のナノ粒子、熱活性遅延蛍光物質などにも時間分解電子線回折実験を応用し、その光照射特有の構造ダイナミクスを得ている。新学術領域の終了後も引き続き、それらの成果を報告する予定である。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3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 Surrey(英国)
• [Journal Article] Enhancement of the mechanical and thermal transport properties of carbon nanotube yarns by boundary structure modulation (2022)
  • Author(s): Shikata Ryo、Suzuki Hiroo、Hayashi Yuta、Hasegawa Taisuke、Shigeeda Yuho、Inoue Hirotaka、Yajima Wataru、Kametaka Jun、Maetani Mitsuaki、Tanaka Yuichiro、Nishikawa Takeshi、Maeda Satoshi、Hayashi Yasuhiko、Hada Masaki
  • Journal Title: Nanotechnology Volume: 33 Issue: 23 Pages: 235707-235707
  • DOI: 10.1088/1361-6528/ac57d5
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Highly Oriented Carbon Nanotube Supercapacitors (2022)
  • Author(s): Komatsubara Kohei、Suzuki Hiroo、Inoue Hirotaka、Kishibuchi Misaki、Takahashi Shona、Marui Tatsuki、Umezawa Shigeyuki、Nakagawa Tomohiro、Nasu Kyohei、Maetani Mitsuaki、Tanaka Yuichiro、Yamada Miyato、Nishikawa Takeshi、Yamashita Yoshifumi、Hada Masaki、Hayashi Yasuhiko
  • Journal Title: ACS Applied Nano Materials Volume: 5 Issue: 1 Pages: 1521-1532
  • DOI: 10.1021/acsanm.1c04236
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Challenges for developing photo-induced phase transition (PIPT) systems: from classical (incoherent) to quantum (coherent) control of PIPT dynamics (2021)
  • Author(s): S. Koshihara, T. Ishikawa, Y. Okimoto, K. Onda, R. Fukaya, M. Hada, Y. Hayashi, S. Ishihara, T. Luty
  • Journal Title: Phys. Rep. Volume: 942 Pages: 1-61
  • DOI: 10.1016/j.physrep.2021.10.003
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Photoinduced Oxygen Transport in Cobalt Double-Perovskite Crystal EuBaCo2O5.39 (2021)
  • Author(s): M. Hada, S. Ohmura, T. Ishikawa, M. Saigo, N. Keio, W. Yajima, T. Suzuki, D. Urushihara, K. Takubo, Y. Masaki, M. Kuwahara, K. Tsuruta, Y. Hayashi, J. Matsuo, T. Yokoya, K. Onda, F. Shimojo, M. Hase, S. Ishihara, T. Asaka, N. Abe, T. Arima, S. Koshihara, Y. Okimoto
  • Journal Title: Appl. Mater. Today Volume: 24 Pages: 101167-101167
  • DOI: 10.1016/j.apmt.2021.101167
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Tracking the light-driven layer stacking of graphene oxide (2021)
  • Author(s): Hada Masaki、Ohmura Satoshi、Yamamoto Yuki、Kishibe Yoshiya、Yajima Wataru、Shikata Ryo、Iguchi Tomohiro、Akada Keishi、Yoshida Shoji、Fujita Jun-ichi、Koshihara Shin-ya、Nishina Yuta
  • Journal Title: Carbon Volume: 183 Pages: 612-619
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2021.07.058
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Phonon transport probed at carbon nanotube yarn/sheet boundaries by ultrafast structural dynamics (2020)
  • Author(s): Hada Masaki、Makino Kotaro、Inoue Hirotaka、Hasegawa Taisuke、Masuda Hideki、Suzuki Hiroo、Shirasu Keiichi、Nakagawa Tomohiro、Seki Toshio、Matsuo Jiro、Nishikawa Takeshi、Yamashita Yoshifumi、Koshihara Shin-ya、Stolojan Vlad、Silva S. Ravi P.、Fujita Jun-ichi、Hayashi Yasuhiko、Maeda Satoshi、Hase Muneaki
  • Journal Title: Carbon Volume: 170 Pages: 165-173
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2020.08.026
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A mechanistic investigation of moisture-induced degradation of methylammonium lead iodide (2020)
  • Author(s): Hada Masaki、Abdullah Al Asad Md.、Misawa Masaaki、Hasegawa Yoichi、Nagaoka Ryota、Suzuki Hiroo、Mishima Ryuji、Ota Hiromi、Nishikawa Takeshi、Yamashita Yoshifumi、Hayashi Yasuhiko、Tsuruta Kenji
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 117 Issue: 25 Pages: 253304-253304
  • DOI: 10.1063/5.0021338
  • NAID: 120007188753
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Exploring Structures and Dynamics of Molecular Assemblies: Ultrafast Time-Resolved Electron Diffraction Measurements (2020)
  • Author(s): Hada Masaki、Nishina Yuta、Kato Takashi
  • Journal Title: Accounts of Chemical Research Volume: 54 Issue: 3 Pages: 731-743
  • DOI: 10.1021/acs.accounts.0c00576
  • Peer Reviewed
• [Presentation] カーボンナノチューブ・窒化ホウ素ナノチューブヘテロ接合に生じる超高速エネルギー移動 (2022)
  • Author(s): 四方諒、岸淵美咲、矢嶋渉、鈴木弘朗、大村訓史、林靖彦、羽田真毅
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 光剥離する有機液晶分子の超高速構造ダイナミクス計測 (2022)
  • Author(s): 齋田友梨、小西智暉、佐藤竜馬、中池由美、矢嶋渉、四方諒、原光生、齊藤尚平、羽田真毅
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 時間分解電子線回折法を用いたグラフェン誘導体の構造ダイナミクス計測 (2021)
  • Author(s): 羽田真毅
  • Organizer: 応用物理学会M&BE新分野開拓研究会
  • Invited
• [Presentation] カーボンナノチューブの界面構造と熱特性・機械特性の相関 (2021)
  • Author(s): 四方諒、鈴木弘朗、亀高諄、重枝勇歩、井上寛隆、矢嶋渉、前谷光顕、田中佑一郎、西川亘、林靖彦、羽田真毅
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Real-time Control of Liquid Crystalline Adhesive by Turning Ultraviolet Light On and Off (2021)
  • Author(s): T. Konishi, Y. Saida, W. Yajima, R. Shikata, M. Hada, Y. Shimoda, K. Miyata, Y. Yoneda, H. Kuramochi, Y. Nakaike, M. Hara, R. Sato, T. Yamakado, R. Kotani, S. Saito
  • Organizer: 2021年光化学討論会
• [Presentation] Ultrafast Time-Resolved Electron Diffraction Capturing Layer Stacking Dynamics of Graphene Oxide (2021)
  • Author(s): Y. Yamamoto, S. Ohmura, Y. Kishibe, W. Yajima, R. Shikata, K. Akada, S. Yoshida, J. Fujita, S. Koshihara, Y. Nishina, M. Hada
  • Organizer: OLC2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Molecular liquid crystal adhesive that melts by light: Mechanism elucidation of the photomelting function (2021)
  • Author(s): T. Konishi, Y. Nakaike, M. Hara, R. Sato, Y. Saida, W. Yajima, R. Shikata, M. Hada, S. Saito
  • Organizer: OLC2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Light-melt adhesives: Structural design and adhesive performances (2021)
  • Author(s): T. Konishi, Y. Nakaike, M. Hara, R. Sato, Y. Saida, W. Yajima, R. Shikata, M. Hada, S. Saito
  • Organizer: OLC2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ultrafast time-resolved electron diffraction with double-pulse-excitation applied to the light-melt adhesive based on a flapping triphenylene liquid crystal (2021)
  • Author(s): Y. Saida, T. Konishi, R. Sato, Y. Nakaike, W. Yajima, R. Shikata, M. Hara, S. Saito, M. Hada
  • Organizer: OLC2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ultrafast collective motions of liquid-crystalline azobenzene molecules observed by ultrafast time-resolved electron diffraction (2021)
  • Author(s): M. Hada, D. Yamaguchi, T. Kato
  • Organizer: OLC2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Ultrafast collective motions induced by the photoisomerization of liquid crystalline azobenzene molecules (2021)
  • Author(s): M. Hada, D. Yamguchi, T. Ishikawa, T. Sawa, K. Tsuruta, K. Ishikawa, S. Koshihara, Y. Hayashi, T. Kato
  • Organizer: Pacifichem 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 超高速時間分解電子線回折法を用いた酸化グラフェンの光還元メカニズムの解明 (2021)
  • Author(s): 羽田真毅
  • Organizer: 日本化学会第101春季年会
  • Invited
• [Presentation] Correlation between the thermal and mechanical properties of the high temperature thermal- treated carbon nanotube yarns (2021)
  • Author(s): Ryo Shikata, Yuho Shigeeda, Hirotaka Inoue, Hiroo Suzuki, Wataru Yajima, Tomohiro Nakagawa, Takeshi Nishikawa, Yoshifumi Yamashita, Yasuhiko Hayashi, Masaki Hada
  • Organizer: FNTG60
• [Presentation] 超高速時間分解電子線回折法ーイオン移動と強くカップルした光誘起電荷移動 (2021)
  • Author(s): 羽田真毅
  • Organizer: 超高分解能顕微鏡法分科会究会
  • Invited
• [Presentation] Ultrafast time-resolved electron diffraction captures dynamics of carbon nanostructure (2021)
  • Author(s): Masaki Hada
  • Organizer: CEMS Topical Meeting Online
  • Invited
• [Presentation] 時間分解電子回折で見た遷移金属化合物結晶薄膜の光誘起構造ダイナミクス (2020)
  • Author(s): 羽田 真毅、石川 忠彦、大村 訓史、慶尾 直哉、田久保 耕、鈴木 達也、浅香 透、林 靖彦、阿部 伸行、有馬 孝尚、腰原 伸也、沖本 洋一
  • Organizer: 第81回 応用物理学会 秋季学術講演会
  • Invited
• [Remarks] 筑波大学数理物質系 羽田研究室
  • URL: https://hadamasaki.com
• [Remarks] 筑波大学数理物質系 羽田研究室
  • URL: https://hadamaskai.com