2020 Fiscal Year Annual Research Report
Development of multi-information conversion systems using stimuli-responsive porous magnets
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20H00381
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
宮坂 等 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (50332937)
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2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 多孔性磁石 / 金属ー有機複合骨格 / ガス吸着 / 磁気相変換 / 多重情報変換システム / 溶媒吸脱着 / 温度誘起電子移動 / 結晶ー結晶転移 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
多様なガス雰囲気に対する化学ー物理情報変換を可能にする環境応答型多孔性磁石を提案することが最終目標である。この目標を達成するため、本年度では、動的な電子移動や結晶ー結晶転移を起こす錯体格子の開発とそれらのゲスト分子の直接的その場観測を多様な測定方法を用いて行い、動的な構造変位、電子配向とスピン秩序を多方面から立証することを重点的に行った。その結果、下記の様な特筆すべき４つの重要な成果を得るに至った。
１）溶媒の吸脱着により電子状態を変えるテトラオキソレン鉄ハニカム層状格子を見出した。溶媒脱離種は400 Kまでの温度上昇により二段階の温度誘起電子移動を起こすことを明らかにし、その電子状態とスピン状態を構造解析と磁気測定により明らかにすると共に、動的な電子移動により過渡的な伝導性変化を起こす系であることを明らかにした。
２）二酸化炭素を吸着してスピン状態を変えるスピンクロスオーバーコバルト(II)錯体の開発。ゲスト応答するスピンクロスオーバー錯体は、近年注目されているが、二酸化炭素などのサイズが小さく且つホストーゲスト相互作用が小さな分子によりスピン状態を変える系は非常に珍しい。単核錯体でありながら、脱水により得られる細孔に最高2分子のCO2を吸着する。このCO2吸着は、Co(II)の低スピン状態を安定化し、CO2分圧により高スピンー低スピン変換の転移温度を変化させ、室温では、ほぼ高スピン状態と低スピン状態をスイッチすることが可能である。
３）D2A型層状磁石への異なるメタロセンカチオンの挿入、及び溶媒分子の脱離が三次元的な磁気相互作用に及ぼす影響を詳細に調べ、脱溶媒型M = Feで、層状分子磁石では初めてとなるスピン・フラストレーション相が創り出されることを見出した。
４）二酸化炭素を吸着し、格子内電子移動を誘発して磁気相を変化させる分子磁石を発見した。
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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
「多様なガス雰囲気に対する化学ー物理情報変換を可能にする環境応答型多孔性磁石」は、多様なガス分子を吸脱着させ、格子（あるいはホスト物質）の電子状態やスピン状態などの物理情報をガス種・ゲスト分子に依存して変化させる必要がある。そのターゲット化合物系を見出すことは非常に難しいが、初年度でありながら、４つの可能性のある物質、しかも、全く異なる物質系（テトラオキソレン鉄ハニカム層状格子、Co(II)単核錯体、πスタック型ピラードレイヤー構造多孔性磁石、D2A型多孔性磁石）を見出すことができた。多様な物質系を見出せたという点は、研究進捗に於いて非常にアドバンテージである。加えて、全ての物質系で二酸化炭素などのユビキタスガスの吸脱着を確認しており、そのうち２つ（Co(II)単核錯体とD2A型多孔性磁石）は、既に二酸化炭素に応答してスピン状態や電子状態を変える物質であることが見出された。これらの成果により、混合ガスなどの多様な成分系での物性変化の可能性を見出すに至っている。これらの成果は、Nature Chemistry誌をはじめ、High Impact雑誌に投稿されており、２）と４）の成果に関しては、プレスリリースを行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度で既に幾つかの重要な化合物とそれらに関する基礎的情報を得ているが、更に動的な電子移動や結晶ー結晶転移を起こす新規な錯体格子の開発を進め、ゲスト分子応答に対する物性柔軟性を明らかにする。それと平行して、下記３つの研究を重点的に展開する予定である。
１）これまでに見出してきた多孔性磁石を用い、多成分ガスについてのガス応答と物性変化をその場観察測定により明らかにする。ガス成分比に対する物性変化を定量化することで、環境応答型の多孔性分子磁石の開発を行う。
２）O2とN2（常磁性と反磁性）、CO2とアセチレン（反応性が全く異なる）などの類似のガス分子でありながら、性質の異なるゲスト分子について、そのガス吸着と応答性を明らかにする。
３）外場として、「光照射」の可能性を調べる。これまでに、いくつかの温度誘起電子移動錯体格子を開発するに至った。また、ゲスト分子に依存して電子移動を誘発する系も見出している。新たな方向性を探る上で、外場として「光」の可能性を試みる。まずは「ガス下光照射磁気測定」のセルを開発し、測定のセットアップを確立することを今年度中に完了する。本研究主題は、今後海外の研究者との共同研究で進めることも決まっており、多孔性としての性質と光外場応答性のカップリングについて重点的に検討する予定である。
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