2016 Fiscal Year Research-status Report
高分子ナノワイヤー中での金属ナノ粒子直接形成による複合機能化
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16K05905
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
佃 諭志 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (00451633)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
篠田 弘造 東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (10311549)
杉本 雅樹 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子ビーム科学研究部門, 主幹研究員(定常) (90354943)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 高分子ナノワイヤー / イオンビーム / 金属ナノ粒子 / ハイブリッドナノ材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、単一粒子の飛跡に沿って高分子ナノワイヤーを形成する手法「単一粒子ナノ加工法」により作製した高分子ナノワイヤーに金属ナノ粒子を融合した複合機能性材料の創成を目的する。平成28年度は、高分子のナノワイヤーに金属ナノ粒子をハイブリッド化する手法として「担持」のような従来手法とは異なり、反応性の側鎖基を有する高分子ナノワイヤーを金属ナノ粒子形成のプラットフォームとして使用し、表面処理や添加剤を必要しない有機無機複合ナノワイヤーの形成法の開発を行った。特に、高分子ナノワイヤー内部の架橋網目構造をナノ空間反応場として捉え、高分子の側鎖基を起点とした金属ナノ粒子を直接形成、保護することにより、粒子の凝集、不均一化の問題を解決し、高分散、高密度を維持したナノ粒子本来の性能を最大限に引き出す合成法を開発することを目的としている。研究当初計画の通り、高温耐熱性触媒繊維、刺激感応性センサー材料の２種材料の開発に向け研究期間内で独自の合成手法の開発に取り組んだ。触媒繊維材料では、耐熱性を有するポリカルボシラン(PCS)ナノワイヤー上で触媒特性を有するPd, Ptナノ粒子を直接形成する湿式法、乾式法をそれぞれ確立した。また、触媒粒子の形成機構の解明を行い、PCSの反応性の側鎖基が前駆体となる金属イオンをナノワイヤー上でon-site還元し、粒子形成が進行することを見出した。金ナノ粒子の局在表面プラズモン共鳴吸収とゲルナノワイヤーを組み合せた刺激感応性センサー材料開発では、ポリビニルピロリドン等のゲルナノワイヤーを前駆体である塩化金酸を含む溶液中で光還元することにより、ゲルナノワイヤー上に金ナノ粒子を直接形成することに成功している。特にポリビニルピロリドンナノワイヤー上で、金ナノ粒子のサイズや数密度を制御する手法にも着手している。
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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
平成28年度の当初の研究計画では、高温耐熱性触媒繊維材料と刺激感応性センサー材料の2種類の材料開発を並列して進行し、それぞれ高分子ナノワイヤー上への触媒粒子と金ナノ粒子の形成法の確立、及び形成機構の解明を達成目標として掲げており、おおむね予定通り進行している。触媒繊維開発においては、ポリカルボシラン(PCS)ナノワイヤー上へのPd及びPtナノ粒子を直接形成する湿式法と乾式法を確立した。前駆体となる金属塩をPCSナノワイヤー上で直接還元することにより、粒子の凝集を起こさずに分散状態でPCSナノワイヤー上に触媒粒子を形成することに成功している。特に乾式法では、2nmナノ粒子が均一に高密度で配置されており、他の担持体への触媒ナノ粒子の導入率に比較して非常に高いことから、高効率の触媒機能特性が期待される。
刺激感応性センサー材料開発に向けたゲルナノワイヤー上での金ナノ粒子形成法の開発については、ポリビニルピロリドン、ポリイソプロピルアクリルアミド、ポリアクリル酸等の水溶性高分子をベースとしたハイドロゲルナノワイヤーを単一イオンナノ加工法で作成し、前駆体である塩化金酸を溶かした溶液中で光還元を行うことによりゲルナノワイヤー上での金ナノ粒子形成を行った。各ゲルナノワイヤーへの金ナノ粒子の作成に成功しており、粒子サイズ、粒子数の制御法についても着手している状況である。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28年度は、当初予定通り、ナノワイヤー上への各種金属ナノ粒子の形成手法の確立に成功している。本課題の達成目標である「触媒繊維」「刺激感応性センサー材料」において、いずれも粒子のサイズ、数、配列が性能を決めるカギを握るため、平成２９年度は、初年度において解析した形成機構を活用し、粒子制御法を確立する。本課題では、高分子架橋高ネットワークのナノ空間中における粒子形成を取り上げていることから、高分子の側鎖基の種類と網目構造のサイズにより粒子の形成制御、形成個所の特定、配列を狙う。具体的な手法としては、１）側鎖基を反応性の高いSiH、OH基の導入及び導入比率の制御をモノマーの改良、ワイヤー化してからの側鎖基交換反応の観点で検討を行う。２）網目サイズの制御は、MBA等の架橋剤の添加と、ナノワイヤー形成後、ガンマ線や電子線の追加照射により架橋点密度を制御することにより行う。上述した手法と、外的要因となる反応時間、温度、前駆体濃度の調整を併用して粒子制御を行い、形成したワイヤーをTEMにより直接観察し、粒子数、サイズ、配置について観察・評価を行う。
また、ナノ粒子を制御したハイブリッドナノワイヤーの各性能評価を実施し、最適なパフォーマンスを達成する最適条件を模索する。触媒繊維材料では、CO, NOx, O2を含む混合ガスフローし、触媒繊維を封入したガラス管からのアウトガスを測定し、各ガスの転換効率を算出し、既存の材料との効率、低資源化の比較評価を行う。
刺激感応性センサー材料の評価は、金ナノ粒子の粒子間距離制御をゲルナノワイヤーで行い、膨潤‐収縮時の光学吸収特性評価を行う。特にナノゲルの膨潤体積変化が大きいほどMNPsの凝集、単離状態を効果的に導出できるため、評価観点は、①ワイヤーの膨潤挙動、その際の②MNPsの粒子間距離、③それに伴う局在共鳴プラズモン変化を優先事項とする。
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| Causes of Carryover |
平成２８年度は、高分子ナノワイヤーに金属ナノ粒子を直接形成する独自手法の開発に成功しており、現在当初計画通り、おおむね順調に進展している。そのため、平成２８年度で使用を予定していた研究費の一部を、平成２９年度の研究費として使用し、研究活動の円滑な推進を行うこととした。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成28年度からの繰越金については、平成29年度の達成目標である高分子ナノワイヤー上での金属ナノ粒子の精密制御の開発費用に使用する。具体的な使用用途としては、金属ナノ粒子の合成に使用する回転子、ピペット等の消耗品として支出する。
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