プロトンと光を用いた高分子材料の反応性と機能性の自在制御

• Project Area: HYDROGENOMICS: Creation of Innovative Materials, Devices, and Reaction Processes using Higher-Order Hydrogen Functions
• Project/Area Number: 21H00018
• 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: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 正井 宏 東京大学, 大学院総合文化研究科, 助教 (70793149)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2022: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2021: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
• Keywords: プロトン / ソフトマテリアル / π共役化合物 / 光加工 / 光機能性材料

Outline of Research at the Start

本研究は、プロトンの化学反応性を光で自在に制御し、材料機能の直接的光加工へと応用する。プロトンの反応性を自在制御し、その反応性を材料機能へと結びつけることができれば、水素の自在制御性を革新的材料へと結びつけ、学問分野の枠を超えた高機能性材料の創成が期待される。そこで本研究では、プロトンと光を協働的に用いた光加工性機能材料に着目し、プロトンを化学刺激として、光による反応性と機能性の自在制御性を開拓する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、プロトンの化学反応性を光で自在に制御し、材料機能の直接的光加工へと応用することを目的とする。有機反応化学の中でも最も基本的な反応剤であるプロトンの反応性を自在制御し、その反応性を材料機能へと結びつけることができれば、水素の自在制御性を革新的材料へと結びつけ、学問分野の枠を超えた高機能性材料の創成が期待される。そこで本研究では、プロトンと光を協働的に用いた光加工性機能材料に着目した。光加工材料は材料をマイクロスケールで加工するための有用な技術であるものの、材料が光に不安定という本質的な問題点を抱えている。本研究ではこの問題打開のための方法論として、光によって材料を直接切断するのではなく、加工時には光と化学的な刺激を協働的に作用させて光加工を行いつつ、加工後は化学刺激を除去することで、光加工性と光に対する安定性を両立可能である。
本年度は、メチルアクリレートをモノマーとし、ケイ素化合物を架橋剤としたポリマーネットワーク材料において、光・プロトン協働反応に基づく材料反応性の制御に成功した。ネットワーク材料はプロトン及びUV光の単独刺激には安定である一方で、2つの刺激を協働的に作用させると材料の粘弾性が変化することが明らかとなった。プロトン源としては、様々なカウンターアニオンを利用可能であるとともに、弱酸である酢酸を用いた場合においても、反応速度は低下するものの協働的な反応性を示した。これらの結果から、光・プロトン協働反応に基づく材料反応性を、安価なケイ素化合物や弱酸を用いて実現できることが実証された。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Efficient electrocatalytic H2O2 evolution utilizing electron-conducting molecular wires spatially separated by rotaxane encapsulation (2023)
  • Author(s): Chou Sheng-Ying、Masai Hiroshi、Otani Masaya、Miyagishi Hiromichi V.、Sakamoto Gentaro、Yamada Yusuke、Kinoshita Yusuke、Tamiaki Hitoshi、Katase Takayoshi、Ohta Hiromichi、Kondo Tomoki、Nakada Akinobu、Abe Ryu、Tanaka Takahisa、Uchida Ken、Terao Jun
  • Journal Title: Applied Catalysis B: Environmental Volume: 327 Pages: 122373-122373
  • DOI: 10.1016/j.apcatb.2023.122373
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effect of changing electronic states of molecules on frequency domain of graphene FETs (2022)
  • Author(s): Oketa Tomohiro、Ikuta Takashi、Masai Hiroshi、Tamaki Takashi、Terao Jun、Maehashi Kenzo
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 15 Issue: 4 Pages: 045001-045001
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ac564d
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Insulation of a coumarin derivative with [1]rotaxane to control solvation-induced effects in excited-state dynamics for enhanced luminescence (2022)
  • Author(s): Go M. Russell, Hiroshi Masai, Jun Terao
  • Journal Title: Physical Chemistry Chemical Physics Volume: 24 Issue: 25 Pages: 15195-15200
  • DOI: 10.1039/d2cp02221d
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Transient Photodegradability of Photostable Gel Induced by Simultaneous Treatment with Acid and UV?Light for Phototuning of Optically Functional Materials (2022)
  • Author(s): Russell Go M.、Kaneko Takashi、Ishino Saqura、Masai Hiroshi、Terao Jun
  • Journal Title: Advanced Functional Materials Volume: 32 Issue: 40 Pages: 2205855-2205855
  • DOI: 10.1002/adfm.202205855
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Precision synthesis of linear oligorotaxanes and polyrotaxanes achieving well-defined positions and numbers of cyclic components on the axle (2022)
  • Author(s): Masai Hiroshi、Oka Yuki、Terao Jun
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 58 Issue: 11 Pages: 1644-1660
  • DOI: 10.1039/d1cc03507j
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Solvatofluorochromic Contrast with Supramolecular Stereoisomers Using Linked Rotaxane Structures to Investigate Local Solvation in Excited Donor-Bridge-Acceptor Systems (2022)
  • Author(s): Shimada Sotaro、Miyagishi Hiromichi V.、Masai Hiroshi、Masui Yoichi、Terao Jun
  • Journal Title: Bulletin of the Chemical Society of Japan Volume: 95 Issue: 1 Pages: 163-168
  • DOI: 10.1246/bcsj.20210354
  • NAID: 130008159255
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Irradiation with UV Light Accelerates the Migita?Kosugi?Stille Coupling Reaction in Air (2022)
  • Author(s): Ishikawa Takumi、Murata Mako、Masai Hiroshi、Iwai Tomohiro、Terao Jun
  • Journal Title: Chemistry Letters Volume: 51 Issue: 2 Pages: 124-126
  • DOI: 10.1246/cl.210665
  • NAID: 130008161615
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Electrical detection of ppb region NO₂ using Mg-porphyrin-modified graphene field-effect transistors (2021)
  • Author(s): Ikuta Takashi、Tamaki Takashi、Masai Hiroshi、Nakanishi Ryudai、Endo Kitaro、Terao Jun、Maehashi Kenzo
  • Journal Title: Nanoscale Advances Volume: 3 Issue: 20 Pages: 5793-5800
  • DOI: 10.1039/d1na00519g
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] プロトン拡散と紫外光照射で分解するアリールケイ素架橋型高分子材料の開発 (2023)
  • Author(s): 中川 智稀・正井 宏・青木 健太郎・長尾 祐樹・寺尾 潤
  • Organizer: 日本化学会第103春季年会
• [Presentation] 頑強性と易分解性を両立するアリールケイ素架橋高分子材料の創製 (2023)
  • Author(s): 中川 智稀・正井 宏・青木 健太郎・長尾 祐樹・寺尾 潤
  • Organizer: 関東高分子若手研究会 学生発表会
• [Presentation] ジピレニルケイ素によって架橋された光加工性のスイッチングが可能なポリマーネットワーク材料の創製 (2022)
  • Author(s): 川野勇太郎・金子隆・正井宏・寺尾潤
  • Organizer: 第71回高分子討論会
• [Presentation] 発光特性を光パターニング可能な有機金属架橋型ゲル材料の開発 (2022)
  • Author(s): ラッセル豪マーティン・金子隆・正井宏・寺尾潤
  • Organizer: 第71回高分子討論会
• [Presentation] 連結型ロタキサン構造に基づくクマリンの輻射速度定数の向上 (2022)
  • Author(s): ラッセル豪マーティン・正井宏・寺尾潤
  • Organizer: 2022年光化学討論会
• [Presentation] 光・プロトン協働反応に基づく,光安定なケイ素架橋ゲル材料の光加工 (2022)
  • Author(s): 正井 宏・川野 勇太郎・中川 智稀・寺尾 潤
  • Organizer: 第32回日本MRS年次大会
• [Presentation] 光加工性と光安定性のスイッチングを可能とするジピレニルケイ素架橋ゲルの創製 (2022)
  • Author(s): 川野勇太郎・正井宏・寺尾潤
  • Organizer: 第12回CSJ化学フェスタ2022
• [Presentation] 光照射とプロトン拡散を鍵とする光分解性架橋高分子材料の開発 (2022)
  • Author(s): 中川 智稀・正井 宏・寺尾 潤
  • Organizer: 第71回高分子討論会
• [Presentation] 光と水を用いた分解性ポリマーネットワーク材料の開発 (2022)
  • Author(s): 中川 智稀・正井 宏・寺尾 潤
  • Organizer: 第12回CSJ化学フェスタ2022
• [Presentation] SYNTHESIS OF CROSS-LINKED+B21:D22 POLYMER NETWORK MATERIALS DEGRADABLE BY PROTON/LIGHT COOPERATIVE STIMULI (2022)
  • Author(s): Hiroshi Masai, Yutaro Kawano, Jun Terao
  • Organizer: 第二回ハイドロジェノミクス国際会議
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 光を用いた変形性と発光性を両立するゲル材料 (2022)
  • Author(s): 金子隆、ラッセル豪マーティン、正井宏、寺尾潤
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会
• [Presentation] 酸と光の協働作用によって分解する架橋ポリマーネットワーク材料の創製 (2022)
  • Author(s): 川野勇太郎・金子隆・正井宏・寺尾潤
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会
• [Presentation] A Photostable Gel that degrades by Simultaneous Treatment with Acid and UV light for Phototuning of Optical functionalities (2022)
  • Author(s): Go Martin Russell, Takashi Kaneko, Hiroshi Masai, Jun Terao
  • Organizer: 日本化学会第102春季年会
• [Presentation] Photo-patternable gels possessing photo-stability via dual-activation strategy with light and proton (2021)
  • Author(s): Hiroshi Masai, Go Martin Russell, Takashi Kaneko, Jun Terao
  • Organizer: MRM2021 Materials Research Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 光重合と光加工の両立を利用した ゲル材料構造の高次造形 (2021)
  • Author(s): 金子隆・ラッセル豪マーティン・正井宏・寺尾潤
  • Organizer: 第11回CSJ化学フェスタ2021
• [Presentation] Photo-shape control of gels fabricated via photo-polymerization (2021)
  • Author(s): Takashi Kaneko, Go Martin Russell, Hiroshi Masai, Jun Terao
  • Organizer: PACIFICHEM2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Acceleration Effect of Migita-Kosugi-Stille Coupling Reaction by UV-Irradiation (2021)
  • Author(s): Takukmi Ishikawa, Mako Murata, Hiroshi Masai, Tomohiro Iwai, Jun Terao
  • Organizer: PACIFICHEM2021
  • Int'l Joint Research