2021 Fiscal Year Research-status Report
Fabrication of Oriented Carbon Nanowire Arrays via Solid-State Polymerization in Ultrafine Nanospaces
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21K19004
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| Research Institution | Kyoto Institute of Technology |
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Principal Investigator |
櫻井 庸明 京都工芸繊維大学, 分子化学系, 講師 (50632907)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2024-03-31
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| Keywords | ナノワイヤ / 直立 / 垂直配向 / 固相重合 / 共役化合物 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
配向ナノワイヤは、一次元ナノ細線が同一方向に揃った構造であり、ナノスケールの一次元異方性を損なうことなくマクロスケールで発現する、巨視配向を有する鍵構造である。一軸異方的なエネルギー・電荷・熱の輸送や巨大比表面積を活かした検体センシングや表面撥水機能、静電アクチュエータへの利用等、種々の応用の観点からも魅力的である。しかし、高度に垂直配向した有機ナノワイヤを、所望のアスペクト比・数密度で形成する手法の報告は国内外含め存在せず、唯一例のある結晶成長法は、可能な有機物の種類が極めて限定的であるばかりか、その径は小さいものでも100 nmに達してしまいナノワイヤと呼ぶには大きな構造体であった。
研究代表者らは、有機低分子薄膜を出発原料とし、垂直照射された高エネルギー粒子線の粒子が薄膜を通過する際の飛跡内での固相重合により、“粒子線を構成する高エネルギー荷電粒子の1個あたり1本のナノワイヤを創る”という独創的な手法を用い、ナノワイヤ数密度を完全制御した。出発原料薄膜の厚さがナノワイヤ長に対応するため、長さも均一かつ完全制御している。重合後に、薄膜の未照射部位の低分子を“昇華”し、全てのナノワイヤを直立（垂直配向）させたまま単離する手法を確立した。この直立挙動は、未照射部位を溶媒除去するとナノワイヤが倒れてランダムに寝てしまうことと対照的であり、大きなブレイクスルーであると考えられる。
特に、同じ出発原料から作製したナノワイヤであっても、昇華により単離した垂直配向状態と溶媒処理により単離した水平ランダム配向状態とでは表面撥水性が大きく異なることを示した。すなわち、超微細垂直ナノ構造に閉じ込められた空気の疎水層が誘発する“構造撥水”表面の作製に有効であることを見出した。
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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
垂直配向した有機ナノワイヤを単離する手法を確立し、原料となる有機低分子化合物として適切な化学構造についても傾向がつかめており、計画どおり順調に進んでいると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまで作製方法を確立した垂直配向超微細有機ナノワイヤを熱処理することにより、配向カーボンナノワイヤへの変換を目指し、その異方的な電荷輸送・熱輸送・力学特性を開拓する。変換過程は、垂直配向ナノワイヤの熱処理により、末端ハロゲンを全て脱離させ、さらに嫌気下で焼成することにより末端水素をも脱離して炭素-炭素結合を最大限形成させる手法に挑戦する。AFM, SEM, TEMやFT-IR, XPS, 弾性反跳検出分析（末端水素定量）, 電子線回折等によりナノワイヤの組成・構造を調べる。機能開拓では、電極上に作成した垂直カーボンナノワイヤに対し、導電性AFMや素子形成による電気伝導性の評価を、サーモリフレクタンス法による異方的熱輸送の評価を行う。ナノ構造に由来する表面撥水性および光学異方性の検証を行う
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| Causes of Carryover |
本年度は、所有する試薬を原料に用いて実験をおこなったため、消耗品費が予定より大幅に減少した。また、外部施設を利用した実験についても、コロナ禍の影響を受け、現地に行くことがなく、試料郵送と研究協力者による実験対応が多く、旅費も執行がなかった。
次年度は、旅費については現地での実験や学会発表が増えることが想定されるため、使用が増える見込みである。また、消耗品費や設備備品費についても、実験状況の進捗に伴い、今年度より増加予定であるため、研究期間全体としては問題なく執行できる計画である。
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[Journal Article] Ubiquitous organic molecule-based free-standing nanowires with ultra-high aspect ratios2021
Author(s)
Koshi Kamiya, Kazuto Kayama, Masaki Nobuoka, Shugo Sakaguchi, Tsuneaki Sakurai, Minori Kawata, Yusuke Tsutsui, Masayuki Suda, Akira Idesaki, Hiroshi Koshikawa, Masaki Sugimoto, G. B. V. S. Lakshmi, D. K. Avasthi, Shu Seki
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Journal Title
Nature Communications
Volume: 12
Pages: 4025
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Ultra-fast single-crystal polymerization of large-sized covalent organic frameworks2021
Author(s)
Lan Peng, Qianying Guo, Chaoyu Song, Samrat Ghosh, Huoshu Xu, Liqian Wang, Dongdong Hu, Lei Zhao, Qiaowei Li, Tsuneaki Sakurai, Hugen Yan, Shu Seki, Yunqi Liu, Dacheng Wei
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Journal Title
Nature Communications
Volume: 12
Pages: 5077
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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