Porous crystals composed of topological bonds and their mechanical properties

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H02705
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 32020:Functional solid state chemistry-related
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: Sato Hiroshi 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, ユニットリーダー (20598586)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 多孔性材料 / 結晶 / トポロジカル結合 / カテナン / 力学特性

Outline of Final Research Achievements

Through this research, we succeeded in synthesizing crystals in which catenane molecules, mechanically interlocked macrocycles, are arranged three-dimensionally through the formation of coordination bonds with metal ions. The structures of these crystals were investigated using methods such as single-crystal X-ray structural analysis, and it was found that more than 90wt% of some crystals are made up of catenane molecules, that they have structures with pores, and that they change their structures with temperature change. Furthermore, it was found that the crystal changes its shape when force is applied from the outside and returns to its original shape when the force is removed, indicating that the crystal exhibits surprising rubber-like properties despite being a crystal.

Free Research Field

機能物性化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

今回得られた結晶は、二酸化炭素などのガス分子を内部に取り込むことがわかっており、CO2吸着ならびに等温線において、ヒステリシスを示す。このことは、ガス分子吸着に伴い細孔構造が変化していることを示唆している。機械的な結合を持つパーツの設計を工夫することで、さらに小さな力で変形する結晶作製が可能と考える。将来的には、二酸化炭素のようなガス分子を効率良く取り込んだり放出したりできるスポンジのような結晶、多孔性材料の開発につながるものと期待する。特に、機械的な刺激で簡便に二酸化炭素を放出可能な材料開発を目指している。これにより、革新的な多孔性材料やヒートポンプとしての応用が期待できる。