2021 Fiscal Year Annual Research Report
大規模かつ階層的なメソクリスタル構造の構築と無機・有機融合機能の開拓
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21H01627
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
今井 宏明 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (70255595)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | バイオミメティック / バイオミネラル / 自己組織化 / 自己集合 / ナノ材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究目的は、ナノブロックが規則配列した「メソクリスタル」を大規模化して実用的なデバイスへと発展させ、多彩な融合機能を開拓することである。ここでは、マイクロパターン化されたフレームを用いて多様な無機結晶ナノブロックを任意な組成・結晶方位・サイズで集積させた大規模メソクリスタルを構築する。無機ブロックのメソクリスタルが、高強度・イオン伝導性・誘電性などの第1機能を担い、フレームと挿入分子が、柔軟性・刺激応答性などの第2機能を担い、全体として実用的なデバイスへと発展させる。これにより、高強度と柔軟性併せ持つ構造材料、センシングや構造色およびエネルギー変換や生体親和性などを併せ持つ機能材料などの「融合機能材料」を実現する。
前述した目的を達成するため、2021年度では、研究の第1段階として配列と機能発現に適した結晶ナノブロックの設計・合成と分散媒蒸発による初期的な配列を試みた。ここでは、生体構造材料としてフッ素アパタイトや炭酸カルシウムのナノロッド、環境親和材料として硫酸ストロンチウムなナノロッド、蛍光材料としてハロゲン化鉛ペロブスカイトナノキューブ、磁性材料として酸化鉄ナノキューブ、誘電材料としてチタン酸バリウムナノキューブ、光学材料としてシリカナノ粒子や粘土ナノシートを合成した。それぞれが分散媒蒸発にともなう移流集積法などの適切な方法を用いることで規則配列が可能であることを検証した。特に、フッ素アパタイトナノロッドを用いた配列制御では、親和性と蒸気圧が異なる2成分の分散媒を用いることで、垂直・水平・ランダム配列の多規模なコントロールに成功した。これは、大規模メソクリスタルの構築の基礎的な知見として重要である。また、大規模配列の手本とし、サンゴ、放散虫、有孔虫のナノ構造の解析を進め、メソクリスタル構造と機能の相関性に関する新たな知見を得た。
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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
初年度において達成すべきナノブロックの合成と初期的な配列に成功していることから、研究はおおむね順調に進展していると評価できる。
ナノブロックが規則配列した「メソクリスタル」の大規模化による実用的なデバイスへの発展を実現させるためには、第1段階としては、メソクリスタルの要素としての多様なナノブロックの設計・合成が必要である。2021年度では、生体構造材料としてフッ素アパタイトや炭酸カルシウムのナノロッド、環境親和材料として硫酸ストロンチウムなナノロッド、蛍光材料としてハロゲン化鉛ペロブスカイトナノキューブ、磁性材料として酸化鉄ナノキューブ、誘電材料としてチタン酸バリウムナノキューブ、光学材料としてシリカナノ粒子や粘土ナノシートの合成に成功している。さらに、それぞれが分散媒蒸発にともなう移流集積法などの適切な方法を用いることで規則配列が可能であることを検証した。これらの成果を土台として2022年度では、様々なフレームを用いて多様な無機結晶ナノブロックを任意な組成・結晶方位・サイズで集積させた大規模メソクリスタルを構築する予定である。これらの成果や実験の進捗状況は、当初の予定とほぼ合致しており、問題なく研究が遂行されていることを示している。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、研究の第2段階として上記のナノブロックの配列制御による大規模で階層的な構造化と有機分子などとの複合化を試みる。具体的には、配列フレームとして、平滑基板、リソグラフィーによるマイクロパターン基板、マイクロファイバー、ナノファイバーなどを適用するとともに、移流集積法・ディップコーティング法・スピンコーティング法などのナノブロック集積技術を適材適所で活用し、多様な構造体の構築を目指す。特に2022年度では、特にフッ素アパタイトの有機基板上への階層的配向配列による高強度コートの構築、ハロゲン化鉛ペロブスカイトと有機配位子の階層的配向配列による高輝度・高安定蛍光体の構築、酸化鉄と有機配位子の規則配列体による新規な磁気特性の開拓を集中的に検討する。
たとえば、フッ素アパタイトのナノロッドを構成単位とする高強度コートの構築では、貝殻の交差板構造や葉状構造を模倣し、ナノロッドの配列方向の周期的な変更による新規な生体模倣構造の形成を試みる。ここでは、機械的な特性と特徴的な階層構造の相関を調査する。また、ハロゲン化鉛ペロブスカイト蛍光体の構築では、ナノキューブ状量子ドットの配列構造が量子収率や外部刺激に対する応答性に与える影響を調査する。ここでは、特に長期の安定性と複合配列構造との関係に着目する。さらに、酸化鉄ナノブロックによる新規磁気機能の開拓では、マイクロパターン電極間に電場と磁場を印加することで期待される磁気キャパシタンス（MC）効果の測定をおこなう。ここでは、まず配列性とMC効果との相関について基礎的知見の調査をおこなう予定である。
階層構造の設計にあたっては、実際のバイオミネラルの構造の理解は不可欠である。これまでに知見が少ない貝類や軟骨魚類の骨格の解析を進め、ナノブロックの配列デザインに応用することも重要と考えている。
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