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高度に組織化された高密度共役分子集積体の光・電子機能

Planned Research

Project AreaCondensed Conjugation Molecular Physics and Chemistry: Revisiting "Electronic Conjugation" Leading to Innovative Physical Properties of Molecular Materials
Project/Area Number 20H05868
Research Category

Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Transformative Research Areas, Section (II)
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

松田 建児  京都大学, 工学研究科, 教授 (80262145)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 福島 孝典  東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (70281970)
渡邉 峻一郎  東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (40716718)
竹内 正之  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, グループリーダー (70264083)
Project Period (FY) 2020-11-19 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥186,030,000 (Direct Cost: ¥143,100,000、Indirect Cost: ¥42,930,000)
Fiscal Year 2022: ¥31,330,000 (Direct Cost: ¥24,100,000、Indirect Cost: ¥7,230,000)
Fiscal Year 2021: ¥28,860,000 (Direct Cost: ¥22,200,000、Indirect Cost: ¥6,660,000)
Fiscal Year 2020: ¥64,090,000 (Direct Cost: ¥49,300,000、Indirect Cost: ¥14,790,000)
Keywords有機機能材料 / 自己組織化 / 2次元表面・界面 / 電子物性 / 物理量変換
Outline of Research at the Start

高密度な2次元共役状態を創り出すための分子集積化法を開発し、表面・界面における分子集合体形成に適用し、高密度共役状態がもたらす軽い電子の新しい電子・光機能を探求する。STMにより配列構造を調べる技術や、2次元大面積稠密集積化技術など、独自に開発した手法を駆使して集積体を構築し、励起子・電荷・スピン・フォノンの次元を含めた状態制御へと展開する。表面・界面で精緻に形成された2次元分子集積体のキャリアドーピングを極め、電子相転移現象の発現だけでなく物理量変換の場として展開する。高密度共役物性評価支援拠点を核とした共同研究を領域内で積極的に推進する。

Outline of Annual Research Achievements

優れたキラル光学特性を示すヘリセン誘導体を目指し、磁気遷移が大きくかつ部分的に電気許容となるような遷移を示す[7]ヘリセン誘導体を合成し、高い蛍光量子収率と高い円偏光発光非対称因子の両立を達成した。また、D2対称性を持つ分子の電気遷移と磁気遷移の方向が全ての遷移で平行(反平行)になるという、群論に基づく知見に着目し、[5]ヘリセンをフェニレン架橋により二量化した8の字型ヘリセン二量体を合成し、高い円偏光発光非対称因子を達成した。
らせん状ナノグラフェン分子の分子機能の解明を目的として、UDFT計算を用いて交換相互作用の減衰定数に基づく電子輸送特性について検討を行い、π拡張ヘリセンが、らせん骨格のオレフィン様の電子構造に起因して、優れた分子ワイヤとして知られるリレンに匹敵する電子輸送特性を持つ可能性を理論的に予測した。また、熱的に安定ならせんキラリティーを有する近赤外発光色素を目指し、テトラベンゾ[7]ヘリセンの合成を行い、この化合物が近赤外領域で幅広い蛍光を示す、キラル発光材料として働くことを示した。
特異な高密度集合化能を示すプロペラ分子を用いた設計戦略を展開し、汎用ポリマーの側鎖官能基化による機械特性の劇的向上、巨大金属酸化物クラスターのサイズ・形状選択的合成、反応性官能基を面選択的に導入した誘導体による高い構造規則を有する固相重合膜の開発などを達成した。また、新たな高密度共役分子集合体の創製へ向けたビルディングブロックとして、高電子受容性プロペラ分子、双極性回転子を導入したヘキサアリールベンゼン誘導体などを開発した。
距離と配向が制限された多層型共役系オリゴマーを2量体から5量体まで新規に合成し、その酸化還元特性、温度応答性を明らかとした。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

優れたキラル光学特性を示すヘリセン誘導体を目指し、目的の高い蛍光量子収率と高い円偏光発光非対称因子の両立を達成した。熱的に安定ならせんキラリティーを有する近赤外発光色素の合成に成功した。
特異な高密度集合化能を示すプロペラ分子を用いた設計戦略を展開し、汎用ポリマーの側鎖官能基化による機械特性の劇的向上、巨大金属酸化物クラスターのサイズ・形状選択的合成などを達成した。
距離と配向が制限された多層型共役系オリゴマーを2量体から5量体まで新規に合成し、その酸化還元特性、温度応答性を明らかとした。
以上の結果が得られており、本研究課題は目的の達成に対しておおむね順調に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

今後は、固液界面での分子集積について、開殻系分子の配列形成に取り組む。これまでにラジカルが置換した分子ワイヤにおけるコンダクタンスの増加を明らかにしたので、今後は分子ワイヤ上のスピン密度とコンダクタンスの定量的関係を明らかにすることを目指す。また、機能性自己組織化単分子膜について、電場応答性メモリの設計コンセプトとしての、双極性回転子と回転抑制基を交互かつ高密度で配列させた環状アレイに基づく双安定性分子システムを目指す。

Report

(1 results)
  • 2020 Annual Research Report

Research Products

(19 results)

All 2022 2021 Other

All Journal Article (13 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 13 results,  Open Access: 1 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 4 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Theoretical Investigation on Electron Transport Capabilities of Helically Twisted Molecules Based on Decay Constants of Exchange Interaction2022

    • Author(s)
      Nakakuki Yusuke、Hirose Takashi、Matsuda Kenji
    • Journal Title

      Chem. Lett.

      Volume: 51 Issue: 3 Pages: 256-259

    • DOI

      10.1246/cl.210727

    • ISSN
      0366-7022, 1348-0715
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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Logical Design of Small HOMO?LUMO Gap: Tetrabenzo[<i>f</i>,<i>jk</i>,<i>mn</i>,<i>r</i>][7]helicene as a Small-Molecule Near-Infrared Emitter2022

    • Author(s)
      Nakakuki Yusuke、Hirose Takashi、Matsuda Kenji
    • Journal Title

      Org. Lett.

      Volume: 24 Pages: 648-652

    • DOI

      10.1021/acs.orglett.1c04095

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Capturing the Trajectory of Metal-Ion-Cluster Formation: Stepwise Accumulation of Zn(II) Ions in a Robust Coordination Space Formed by a Rigid Tridentate Carboxylate Ligand2022

    • Author(s)
      Kato Mikiya、Fukui Tomoya、Sato Hiroyasu、Shoji Yoshiaki、Fukushima Takanori
    • Journal Title

      Inorganic Chemistry

      Volume: 61 Pages: 3649-3654

    • DOI

      10.1021/acs.inorgchem.1c03758

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Tuning Transition Electric and Magnetic Dipole Moments: [7]Helicenes Showing Intense Circularly Polarized Luminescence2021

    • Author(s)
      Kubo Hiromu、Hirose Takashi、Nakashima Takuya、Kawai Tsuyoshi、Hasegawa Jun-ya、Matsuda Kenji
    • Journal Title

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      Volume: 12 Pages: 686-695

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.0c03174

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Donor-Acceptor Type [5]Helicene Derivative with Strong Circularly Polarized Luminescence2021

    • Author(s)
      Kubo Hiromu、Hirose Takashi、Shimizu Daiki、Matsuda Kenji
    • Journal Title

      Chem. Lett.

      Volume: 50 Issue: 4 Pages: 804-807

    • DOI

      10.1246/cl.200913

    • NAID

      130008025830

    • ISSN
      0366-7022, 1348-0715
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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Re‐entrant Photoinduced Morphological Transformation and Temperature‐Dependent Kinetic Products of a Rectangular Amphiphilic Diarylethene Assembly2021

    • Author(s)
      Kotani Yasunobu、Yasuda Haruka、Higashiguchi Kenji、Matsuda Kenji
    • Journal Title

      Chem. Eur. J.

      Volume: 27 Pages: 11158-11166

    • DOI

      10.1002/chem.202101127

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Evaluation of electron transport capability of armchair graphene nanoribbons (AGNRs) by calculating exchange interaction between terminally attached radicals2021

    • Author(s)
      Shinozuka Tomohito、Nishizawa Shohei、Shimizu Daiki、Matsuda Kenji
    • Journal Title

      Chemical Physics Letters

      Volume: 780 Pages: 138923-138923

    • DOI

      10.1016/j.cplett.2021.138923

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Perchlorinated Triptycene Tribenzoquinone2021

    • Author(s)
      Shoji Yoshiaki、Yamamoto Shion、Fukushima Takanori
    • Journal Title

      Chem. Lett.

      Volume: 50 Issue: 6 Pages: 1240-1243

    • DOI

      10.1246/cl.210219

    • NAID

      130008053389

    • ISSN
      0366-7022, 1348-0715
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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A single-molecule conductance study on the rotational isomers of a hexaarylbenzene derivative carrying dipolar rotating units2021

    • Author(s)
      Miyazaki Takuya、Shoji Yoshiaki、Fujii Shintaro、Fukushima Takanori
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 60 Pages: 108002-108002

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ac26a9

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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Introduction of Triptycene with a Particular Substitution Pattern into Polymer Chains Can Dramatically Improve the Structural and Rheological Properties2021

    • Author(s)
      Ishiwari Fumitaka、Okabe Gen、Kajitani Takashi、Fukushima Takanori
    • Journal Title

      ACS Macro Lett.

      Volume: 10 Pages: 1529-1534

    • DOI

      10.1021/acsmacrolett.1c00660

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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Long-Range Order in Supramolecular π Assemblies in Discrete Multidecker Naphthalenediimides2021

    • Author(s)
      Sudhir Kumar Keshri, Tomoya Ishizuka, Takahiko Kojima, Yoshitaka Matsushita, Masayuki Takeuchia、Takeuchi Masayuki
    • Journal Title

      Journal of the American Chemical Society

      Volume: 143 Pages: 3238-3244

    • DOI

      10.1021/jacs.0c13389

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      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Catalyst‐Free π‐Extended Conjugate Addition of Amines to Various Electron‐Deficient π‐Systems2021

    • Author(s)
      Tan Minghan、Chrostowski Robert、Sanematsu Haruki、Takeuchi Masayuki、Takai Atsuro
    • Journal Title

      Asian Journal of Organic Chemistry

      Volume: 10 Pages: 918-925

    • DOI

      10.1002/ajoc.202100046

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Dynamics of Meso-Chiral Interconversion in a Butterfly‐Shape Overcrowded Alkene Rotor Tunable by Solvent Properties2021

    • Author(s)
      Kartha Kalathil K.、Takai Atsuro、Futera Zden?k、Labuta Jan、Takeuchi Masayuki
    • Journal Title

      Angewandte Chemie International Edition

      Volume: 60 Pages: 16466-16471

    • DOI

      10.1002/anie.202102719

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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Design and Synthesis of CPL-Emissive Helicenes by Controlling Transition Electric and Magnetic Dipole Moments2021

    • Author(s)
      K. Matsuda
    • Organizer
      The 10th East Asia Symposium on Functional Dyes and Advanced Materials
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 高密度共役を目指す分子配列制御2021

    • Author(s)
      松田建児
    • Organizer
      CSJ化学フェスタ2021コラボレーション企画
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    • Invited
  • [Presentation] ナノ~メゾ~マクロスケールの精密分子集積化による新機能物質創製2021

    • Author(s)
      福島孝典
    • Organizer
      プリンテッド・エレクトロニクス研究会  2021年度 第1回PE研究会
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    • Invited
  • [Presentation] 精密分子集積化による機能ソフトマテリアルの創製(高分子学会賞受賞講演)2021

    • Author(s)
      福島孝典
    • Organizer
      第70回高分子学会年次大会
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    • Invited
  • [Presentation] 有機半導体の主鎖間配向を模した剛直かつ柔軟なフォルダマーの合成と特性2021

    • Author(s)
      両角 拓磨、竹内 正之
    • Organizer
      第31回基礎有機化学討論会
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  • [Remarks] 高密度共役の科学

    • URL

      https://x-con.jp/

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Published: 2020-11-24   Modified: 2022-12-28  

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