2016 Fiscal Year Annual Research Report
デザインされた異方性ナノブロックによる秩序配列マテリアルの構築と機能開拓
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16H02398
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
今井 宏明 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (70255595)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 結晶成長 / 自己組織化 / 自己集合 / ナノ粒子 / 機能材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、数十nmスケールのナノ結晶の矩形ブロックの形状と表面特性をデザインし、集積環境を整えることで、これらの結晶ブロックを任意な結晶方位と次元で配列させ、マクロスケールの多様な階層的構造体を構築する。ここでは、酸化物・金属・リン酸塩・炭酸塩等の結晶ブロックを合成し、それらをユニットとして構成された1～3次元配列(高精度メソクリスタル)、異種の化合物の結晶ブロックによるメソレベルの複合化（複合メソクリスタル）、ブロック間隙への高分子導入によるメソレベル無機有機複合化（融合メソクリスタル）へ展開する。最終的に、それらの機能を評価し、メソレベルで構造化された高機能セラミックスおよび複合材料の新規合成手法を提供する。
平成28年度では、本研究の第1段階として、ナノブロックの配列手法の発展、および多様な物質系についてのナノブロックの合成をおこなっており、以下の3つの成果が得られている。第1には、ナノブロックの配列手法の発展による酸化マンガンナノブロック配列の高度化である。ナノブロックの配列環境の制御によって、稠密2次元配列やa軸c軸の交互積層3次元配列を実現させている。第2には、複合メソクリスタルの構築に向けた多種のナノブロックのライブラリー化である。これまでに、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、ストロンチウムドープチタン酸バリウム、サマリウムドープ酸化セリウム、白金、パラジウムなどの矩形ナノブロックの効率的な合成に成功した。第3には、バイオミネラル類似の炭酸カルシウム系ナノブロックの配列であり、環境制御によって1～3次元構造体の構築が可能となった。ここでは、カルサイト型炭酸カルシウムのナノブロックを合成し、分散媒質の変化によって生じる配向集積現象を明らかにするとともに、任意のサイズの1次元ナノワイヤーや3次元集積体の形成を達成している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究の第1段階では、数十nmスケールのナノ結晶の矩形ブロックの形状と表面特性をデザインし、集積環境を整えることで、これらの結晶ブロックを任意な結晶方位と次元で配列させる技術の発展を目指している。本研究における平成28年度の目標は、ナノブロック配列の高度化および複合メソクリスタルの構築に向けた多種類のナノブロックの合成によるライブラリー化である。
平成28年度においては、酸化マンガンナノブロックを用いた配列制御における環境の制御によって、新規な構造体として稠密2次元配列やa軸c軸の交互積層3次元配列を実現させている。また、多様な種類の酸化物や金属等の結晶ブロックから構成された1～3次元配列(高精度メソクリスタル)や複数種類のナノブロックからなる複合メソクリスタルの構築に向けた多種のナノブロックのライブラリー化として、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、ストロンチウムドープチタン酸バリウム、サマリウムドープ酸化セリウム、白金、パラジウムなどの矩形ナノブロックの効率的な合成に成功した。さらに、バイオミネラル類似の炭酸カルシウム系ナノブロックの配列であり、環境制御によって1～3次元構造体の構築が可能となった。
以上の結果は、本研究の最終目的に向けた年次目標に対して十分な成果が得られていることを示しており、本研究は、おおむね順調に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成29年度では、本研究の第1段階後半として、矩形ブロックのデザインと集積環境の制御によって任意な結晶方位と次元でナノブロックを配列させる技術の発展を目指す。そのために今年度は次の3つの目標に向けて研究を進める。
第1には、上記の交互配列手法と多種類のナノブロックを活用した異種ブロックの積層による複合メソクリスタルの構築である。ここでは、平成28年度の合成に成功している酸化マンガン・酸化セリウム・チタン酸バリウム・ストロンチウムドープチタン酸バリウム・二酸化チタン・白金などの異種化合物を数十nmスケールで任意に積層した構造体の構築を目指す。異種のブロックの交互積層においては、積層条件のコントロールが重要であり、その最適化が求められるとともに、表面処理などの相互作用の制御も検討する必要がある。
第2には、ナノブロックの積層体のマクロスケールな構築と機能評価である。主には、酸化マンガンや酸化鉄ナノブロックの集積体における磁性、二酸化チタンと白金との複合集積による光触媒活性、およびサマリウムドープ酸化セリウムナノブロック集積体のイオン伝導性などを評価する予定である。ここでは機能評価に向けて、数百マイクロメートルスケールの溝を基板表面に形成し、配列をマクロに制御する手法が必要と考えられる。
第3には、ブロック間隙への高分子導入によるメソレベル無機有機複合化（融合メソクリスタル）へ展開であり、主には炭酸カルシウムナノブロック配列体への高分子導入による軽量高強度材料への展開を目指す。ここでは、高分子のベースとなるモノマーの導入やその重合方法などの検討がカギとなると思われる。さらに、貝殻などのバイオミネラルの模倣や特性の類似性などにも着目して研究を展開する。
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[Presentation] Biogenic and Biomimetic Arrayed Nanocrystals(Invite)2016
Author(s)
H. Imai, M. Suzuki, K. Nakamura, K. Nakajima, Y. Nagai, Y. Oaki, Y. Nagai, T. Toyofuku
Organizer
The 18th International Conference on Crystal Growth and Epitaxy (ICCGE-18)
Place of Presentation
Nagoya Congress Center (Nagoya・Aichi)
Year and Date
2016-08-10 – 2016-08-10
Int'l Joint Research
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