Polymer Inclusion into Metal-Organic Frameworks for Development of Novel Energy Conversion Systems and Mechanoresponsive Materials

• Project Area: Molecular Engine: Design of Autonomous Functions through Energy Conversion
• Project/Area Number: 21H00385
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 細野 暢彦 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (00612160)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000); Fiscal Year 2022: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2021: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
• Keywords: 多孔性金属錯体 / 配位高分子 / 有機無機複合体 / 力学物性 / 多孔性配位高分子 / エネルギー変換 / 複合材料 / 吸着 / 高分子 / 包接 / ネットワーク構造 / 架橋高分子 / 多孔性材料 / 高分子複合体

Outline of Research at the Start

生体の組織には、化学エネルギーを効率的に力学エネルギーに変換する仕組みが存在する。このような自然界の力学機能発現には、動的な分子素子が活動するナノ空間が重要な役割を担っている。本研究では、ナノ空間を有する多孔性材料を利用し、筋肉の応答メカニズムを模倣した新しい発動分子システム・力学応答材料の実現に挑む。具体的には、多孔性金属錯体（Metal-Organic Framework: MOF）の細孔内への高分子鎖の吸着現象を利用し、吸着エネルギーを力学エネルギーへ変換し発動するシステムを実現する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、ナノ空間を有する多孔性材料を利用し、筋肉の応答メカニズムを模倣した新しい発動分子システム・力学応答材料の実現に向けて研究を行った。具体的には、多孔性金属錯体（Metal-Organic Framework: MOF）の細孔内への高分子鎖の吸着現象を利用し、MOFと高分子を分子レベルで複合化させ、吸着エネルギーを力学エネルギーへ変換する材料の合成に取り組んだ。本研究を通して、これまで下記の優れた研究成果を得ることができた。
１．これまで解明されていなかった高分子のMOFへの吸着メカニズムの熱力学的な理解が得られた。
２．高分子鎖をMOFのナノ細孔へ包接させ、更には貫通させることで、全く新しい構造を有する新規MOF/高分子複合体の合成に成功した。
３．本研究で得たMOF/高分子複合体の力学物性および熱物性を測定し、その特異な構造に由来した物性の出現を確認した。
本年度に実施した研究は、主に2および3の成果に結びついている。前年度までの研究においてMOFへの高分子吸着現象とそのメカニズムが明らかになったことにより、様々な新しい応用成果につながった。高分子鎖がMOF粒子を貫通した新規複合体を得ることに成功し、本研究の目的である力学応答材料の合成に成功した。得られた材料は特有の貫通構造に由来した熱物性および力学特性を示し、エネルギー変換材料としてのポテンシャルを示すことができた。本研究結果は現在論文投稿中である。また、MOF結晶へ高分子を導入することでMOFの圧力耐性が大きく改善される興味深い現象も発見し、一般に脆弱な結晶で取り扱いが難しいMOFの強度を向上させる新しい技術の開発に成功した。

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

• [Int'l Joint Research] The Ohio State University(米国)
• [Int'l Joint Research] National Taiwan University(その他の国・地域)
• [Int'l Joint Research] China University of Petroleum(中国)
• [Journal Article] Engineering gas separation property of metal-organic framework membranes via polymer insertion (2023)
  • Author(s): Hung Han-Lun、Iizuka Tomoya、Deng Xuepeng、Lyu Qiang、Hsu Cheng-Hsun、Oe Noriyoshi、Lin Li-Chiang、Hosono Nobuhiko、Kang Dun-Yen
  • Journal Title: Separation and Purification Technology Volume: 310 Pages: 123115-123115
  • DOI: 10.1016/j.seppur.2023.123115
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Topological entrapment of macromolecules during the formation of metal?organic framework (2023)
  • Author(s): Mizutani Nagi、Hosono Nobuhiko、Uemura Takashi
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 59 Issue: 10 Pages: 1293-1296
  • DOI: 10.1039/d2cc06330a
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Fabrication of Polyelectrolyte Sheets of Unimolecular Thickness via MOF-Templated Polymerization (2023)
  • Author(s): Nishijima Ami、Hayashi Yuki、Mayumi Koichi、Hosono Nobuhiko、Uemura Takashi
  • Journal Title: Macromolecules Volume: 56 Issue: 8 Pages: 3141-3148
  • DOI: 10.1021/acs.macromol.3c00275
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Toughening and stabilizing MOF crystals via polymeric guest inclusion (2022)
  • Author(s): Tomoya Iizuka, Nobuhiko Hosono, Takashi Uemura
  • Journal Title: Dalton Transactions Volume: 51 Issue: 35 Pages: 13204-13209
  • DOI: 10.1039/d2dt01425d
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Direct observation of porous coordination polymer surfaces by atomic force microscopy (2022)
  • Author(s): Hosono Nobuhiko、Kitagawa Susumu
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: - Issue: SL Pages: SL0802-SL0802
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac5427
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mixed Metal-Organic Framework Stationary Phases for Liquid Chromatography (2022)
  • Author(s): Kioka Kaoru、Mizutani Nagi、Hosono Nobuhiko、Uemura Takashi
  • Journal Title: ACS Nano Volume: - Issue: 4 Pages: 6771-6780
  • DOI: 10.1021/acsnano.2c01592
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of Functional Materials via Polymer Encapsulation into Metal-Organic Frameworks (2021)
  • Author(s): Hosono Nobuhiko、Uemura Takashi
  • Journal Title: Bulletin of the Chemical Society of Japan Volume: 94 Issue: 8 Pages: 2139-2148
  • DOI: 10.1246/bcsj.20210191
  • NAID: 130008087837
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Revisiting molecular adsorption: unconventional uptake of polymer chains from solution into sub-nanoporous media (2021)
  • Author(s): Oe Noriyoshi、Hosono Nobuhiko、Uemura Takashi
  • Journal Title: Chemical Science Volume: 12 Issue: 38 Pages: 12576-12586
  • DOI: 10.1039/d1sc03770f
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Metal-Organic Frameworks as Versatile Media for Polymer Adsorption and Separation (2021)
  • Author(s): Hosono Nobuhiko、Uemura Takashi
  • Journal Title: Accounts of Chemical Research Volume: 54 Issue: 18 Pages: 3593-3603
  • DOI: 10.1021/acs.accounts.1c00377
  • Peer Reviewed
• [Presentation] MOFによる高分子主鎖上の微小構造変異の識別 (2022)
  • Author(s): 古賀大地・細野暢彦・植村卓史
  • Organizer: 第71回高分子学会年次大会
• [Presentation] 多孔性金属錯体MOFへの高分子吸着と分離技術への応用 (2022)
  • Author(s): 細野 暢彦・植村 卓史
  • Organizer: 第71回高分子討論会
• [Presentation] Enhanced toughness and stability of MOF crystals via polymer introduction (2022)
  • Author(s): Tomoya Iizuka, Nobuhiko Hosono, Takashi Uemura
  • Organizer: 錯体化学会第72回討論会
• [Presentation] Metal-Organic Frameworks for Macromolecular Recognition and Separation (2022)
  • Author(s): Nobuhiko Hosono
  • Organizer: 錯体化学会第72回討論会 シンポジウム(S2)
  • Invited
• [Presentation] Metal-Organic Frameworks for Polymer Adsorption and Separation (2022)
  • Author(s): Nobuhiko Hosono
  • Organizer: the 8th Asian Conference on Coordination Chemistry (ACCC8 2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] RECOGNITION OF POLYMER TERMINI BY METAL-ORGANIC FRAMEWORKS AND APPLICATION TO LIQUID CHROMATOGRAPHY (2022)
  • Author(s): Nagi MIZUTANI, Nobuhiko HOSONO, Benjamin LE OUAY, Takashi UEMURA
  • Organizer: the 44th International Conference of Coordination Chemistry (ICCC2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] MOFへの超長鎖高分子の挿入：新規貫通複合体の合成 (2022)
  • Author(s): 飯塚 知也・佐野 鴻之・細野 暢彦・植村 卓史
  • Organizer: 第102回日本化学会春季年会
• [Presentation] MOFを用いたPET集積構造の制御 (2022)
  • Author(s): 武富 大空・細野 暢彦・植村 卓史
  • Organizer: 第102回日本化学会春季年会
• [Presentation] MOFによる高分子化合物の認識と分離 (2022)
  • Author(s): 細野 暢彦
  • Organizer: 第102回日本化学会春季年会
  • Invited
• [Presentation] MOFと超長鎖高分子の複合による新規材料とその物性 (2021)
  • Author(s): 飯塚 知也・三輪 悦裕・細野 暢彦・植村 卓史
  • Organizer: 第70回高分子学会年次大会
• [Presentation] MOFナノ細孔への高分子浸入機構の解明とその応用 (2021)
  • Author(s): 大江 功能・細野 暢彦・植村 卓史
  • Organizer: 第70回高分子学会年次大会
• [Presentation] 多孔性金属錯体MOFによる高分子の認識・分離 (2021)
  • Author(s): 細野 暢彦
  • Organizer: 日本セラミックス協会第34回秋季シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 多孔性金属錯体を用いたPET集積構造のリフォーメーション (2021)
  • Author(s): 武富 大空・細野 暢彦・植村 卓史
  • Organizer: 錯体化学会第70回討論会
• [Presentation] MOFへの高分子吸着メカニズム (2021)
  • Author(s): 大江 功能・細野 暢彦・植村 卓史
  • Organizer: 錯体化学会第70回討論会
• [Presentation] MOFへの超高分子量PEOの導入による新規MOF/高分子複合体の合成 (2021)
  • Author(s): 飯塚 知也・佐野 鴻之・細野 暢彦・植村 卓史
  • Organizer: 錯体化学会第70回討論会
• [Presentation] MOFへの超長鎖高分子の浸入 (2021)
  • Author(s): 佐野 鴻之・飯塚 知也・細野 暢彦・植村 卓史
  • Organizer: 錯体化学会第70回討論会
• [Presentation] Dynamic Nature of Metal-Organic Framework Surfaces Imaged by Atomic Force Microscopy (2021)
  • Author(s): Nobuhiko Hosono
  • Organizer: 29th International Colloquium on Scanning Probe Microscopy
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Polymer Intercalation into Metal-Organic Frameworks (2021)
  • Author(s): Noriyoshi Oe, Nobuhiko Hosono, Takashi Uemura
  • Organizer: Pacifichem2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Polymer Recognition and Separation by Metal-Organic Frameworks (2021)
  • Author(s): Nobuhiko Hosono, Takashi Uemura
  • Organizer: Pacifichem2021
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] Nobuhiko Hosono's Homepage
  • URL: https://www.nhosono.com/home