2021 Fiscal Year Research-status Report
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21K14475
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
細見 拓郎 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (40830360)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | ナノ材料科学 / 分子認識 / 自己組織化単分子膜 / 分子センサ / 赤外分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、金属酸化物チャネル表面に分子修飾を施すことで、①自己組織化分子膜（SAM）が生み出す多空隙構造によって、揮発性有機化合物（VOC）が取り込まれること、および②その表面反応進行が両立されることを示し、③VOCの取り込み・表面反応を効率的に行うための分子膜・金属酸化物表面の設計指針を確立する、というアプローチによって行う。当該年度においては、①の仮説を実証するために、SAM構成分子としてアルキル鎖が完全に重水素化されたホスホン酸を用いることで、SAMと反応分子を分光的に区別可能にし、SAMに取り込まれた分子の存在やコンフォメーション、配向性の追跡を試みた。。SAM修飾ナノワイヤにノナナールなどの揮発性分子を加熱下で気相吸着させたのち、IRおよびp偏光多角入射分解赤外分光法(pMAIRS)を用いてSAM中の分子状態を評価した。pMAIRSスペクトルのアルキル領域における明確な吸収の存在から、長鎖アルキルSAMへのノナナールの取り込みが確認された。アルキルメチレンの対称伸縮振動νs(CH2)の波数から、SAMの密度の増加に従って増加してgauche-rich配座を取ることが分かる。一方で、中程度のSAM密度において吸着分子の表面に対する垂直配向性が最大となることが判明した。以上の結果から、(i)低密度SAM下では分子は直接ZnO面と作用して直鎖(all-trans)に準ずる配座かつ配向の小さい状態となる、(ii)中程度の密度のSAMにおいてはSAMの隙間に取り込まれながら直線的配座かつ垂直配向性を示す、(iii)高密度SAMにおいて吸着分子は主にSAM先端に存在しておりgauche-richかつ無配向状態となる、という描像を得ることに成功した。以上のように、適切にSAMの密度を制御することで、効率的にVOCをSAMの生み出す多空隙構造へと取り込み可能であることが実証された。
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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
従来、密な分子膜中に本当に分子が取り込まれているのか、どのような形で取り込まれているのか、といった点は未解明であった。これは、赤外分光法(IR)等の分光測定において、低濃度の吸着分子のアルキルバンドをSAMのアルキルバンドと区別して観測することが困難だったためである。本研究では、SAM構成分子としてアルキル鎖が完全に重水素化されたホスホン酸を用いることで、SAMと反応分子を分光的に区別可能にし、SAMに取り込まれた分子の存在やコンフォメーション、配向性の追跡を試みた。その結果、直観的な予測とは異なり、極めて緻密とされる単純アルキル鎖SAMたしかに分子膜中に脂肪族アルデヒドのような分子が取り込まれ、表面吸着されたアルデヒドが通常系とは大きく異なった配座・配向を示すことが明らかとなった。これらは当初の予測を上回る成果である。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに開発した赤外透明化分子膜法を用いることで、その分子膜中へと取り込まれた分子の挙動をより詳細に解析する。具体的には、①取り込みに伴う分子の配座変化、②取り込みに伴う分子全体の配向変化、③取り込み量と分子構造の温度依存性、④表面反応の進行度、をそれぞれモデル基質に対して検証し、その取り込み挙動の原理と特性を理解する。これらの挙動の理解は、本表面状態設計を揮発性有機化合物センサとして応用するために不可欠の課題である。
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| Causes of Carryover |
想定以上に研究が進展し、「密なアルキル分子膜中にも気相中の脂肪族分子が取り込まれる」という新たな事実が判明したため、その取り込まれ分子挙動の解明に対して重点的に予算を振り分けるように変更したため。
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Research Products
(4 results)
