2021 Fiscal Year Annual Research Report
Exploration of Electronic/Ionic Functions of Aquatic Functional Materials
| Project Area | Aquatic Functional Materials: Creation of New Materials Science for Environment-Friendly and Active Functions |
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| Project/Area Number |
19H05719
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
田中 求 京都大学, 高等研究院, 特任教授 (00706814)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中畑 雅樹 大阪大学, 大学院理学研究科, 助教 (40755641)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 生物着想分子材料 / 半導体電子材料 / 界面制御 / 電子・イオン機能 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2021年度は、界面制御技術を駆使した有機半導体材料の水圏での応用の上で問題となっていた、有機半導体分子層の欠陥を減らすことに取り組んだ。具体的には、液晶的な性質を付与した有機半導体分子（A01-2辻）を、並進拡散・回転拡散の自由度が大きな水表面で高秩序に配列させた後、これを転写することに成功した。
生体着想材料として分子設計したファイトケラチン着想材料については、前年度までに計測した解離定数や溶液中の水和半径といった基礎物性に加え、イオン認識機能を限外ろ過で精密定量するなど分子としての水圏イオン機能の定量化を行い、論文化と並行して社会実装を目指したデバイスとしての応用の検討を進めている。水圏イオン機能を電子信号として検出するため、上記の界面制御技術を駆使した有機半導体材料など電子材料との融合に取り組んだ。
また水界面の水和状況を力学的に解明するため、共通機器であるQCM-Dを活用するだけでなく、公募研究斑の林（東工大）や宮田（金沢大）が得意とする、ユニークな原子間力顕微鏡（AFM）技術を用いた計測も班間共同研究として行い、林との共同研究はRSC Advに招待論文として発表した。
さらに研究分担者・中畑や計画研究A03－3代表・高島とのメカノ材料については、選択的分子認識を駆使した材料を用いた動的細胞制御の論文をハイデルベルク大学との国際共著論文として、ACS Applied Polymer Materialsに発表しCover Articleに選出された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
概要に述べたように、田中求（研究代表者）は中畑（研究分担者）と根幹となる分子認識材料や独自の計測技術に関するオリジナル論文を精力的に発表するだけにとどまらず、水界面の物理学という広い視点から細胞の変形や運動を説き起こした国際共著の総説を発表するなど、水圏界面の学理を広く世界に発信している。例としては、公募班・林（東工大）が得意とする高速AFMを使って数ナノメーターという超高解像度で、医用画像などに用いられる有機超薄膜の局所的な水和力を計測した、Strasbourg大学・ハイデルベルク大学との国際共著論文などが挙げられる。
さらに田中求と中畑は、新学術領域という枠組みを最大限に活かして、様々な分野の研究者との共同研究を推進している。例えば中畑は、A02-1池本や公募班・中村（筑波大）らが専門とする赤外分光やNMRを駆使して生物着想型材料が有害重金属イオンとどのように錯形成を行うかの詳細な分子メカニズムの研究を推進している。
田中求は重金属イオンの選択的な認識・捕捉にともなう水和状態変化を、共通機器であるQCM-Dと公募班・宮田（金沢大）が得意とする周波数変調型ＡＦＭを組み合わせて解析するなど、当初の計画よりも速いペースで新学術ならではの異分野融合型の共同研究をダイナミックに展開している。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和4年度の研究実施に当たっては、前年度までの成果をさらに大きく発展展開すべく、以下のような計画に沿って研究を推進する。
まず、生体着想材料として分子設計したファイトケラチン着想材料については、前年度に行った共通機器であるQCM-Dを用いた界面水和構造変化に伴う界面の粘弾性変化を精密計測をもとに、機能分子設計を最適化し、これに自己組織化制御を駆使して材料・水界面に超高集積化することで、水圏環境を実際に浄化するリアクターなど、実用化へ向けた最適化を行う。
また、生体着想型材料が発揮する水圏イオン機能を電子信号として検出するという取り組みについては、前年度にこれらの分子を窒化ガリウムデバイス表面に固定し、有害イオン捕捉機能を2次元電子ガス層内の電荷移動度の変調として検出することに成功したので、今年度はこれらの分子をデバイス表面に高密度で集積化し、デバイスとしての感度を最大化することに取り組む。
さらに、前年度にA01-2辻らとスタートさせた有機半導体分子層の欠陥を減らす取り組みについては、液晶的な性質を付与した有機半導体分子を並進拡散・回転拡散の自由度が大きな水表面で高秩序に配列させることに成功したので、今年度はこれを固体基板へと転写するプロセスを確立ことでデバイスとしての機能評価を行う。
共通機器であるQCM-Dについては、前年度までは領域メンバーが作製したサンプルを郵送してもらい、これを京都大学で委託計測してきたが、今年度はユーザーが実際にサンプルを持ち込んで計測できるよう支援していくことを計画している
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| Remarks |
HeKKSaGOn日独6大学アライアンスの第8回日独学長会議・Plenary sessionでWG1「New-Generation Biomedical Science」の活動報告を領域総括として行った。2021年9月10日（オンライン）
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