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一分子熱伝導率測定によるDNAの熱伝導性の解明とフォノン熱輸送制御

Research Project

Project/Area Number 19K21929
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 19:Fluid engineering, thermal engineering, and related fields
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

児玉 高志  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任准教授 (10548522)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 志賀 拓麿  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 講師 (10730088)
Project Period (FY) 2019-06-28 – 2022-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2019: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
Keywordsナノスケール伝熱 / ナノ/マイクロ加工 / DNA / タンパク質 / 生体高分子 / セルロースナノファイバー / 生体材料 / マイクロ・ナノ加工 / フォノンエンジニアリング
Outline of Research at the Start

DNAは4種類の異なる塩基を持った共有結合性の直鎖擬一次元材料であり、分子レベルでの周期性の導入など配列制御によってフォノン分散を柔軟に変化させることができることから、フォノンエンジニアリングの実証に最適なナノ構造材料であると考えられる。本研究では、2つの対称な自立膜構造を有する測定デバイスを用いた独自のナノスケール熱伝導計測技術を駆使して、様々な配列や周期性を有するDNAの単一分子レベルの熱伝導率評価を実践し、分子シミュレーションとの融合により実験結果を説明するための適切な理論モデルの構築を行い、DNAの熱伝導性の学理解明と熱伝導制御に挑戦する。

Outline of Annual Research Achievements

本申請研究では、サスペンドマイクロデバイスを用いた一分子熱伝導測定技術を利用して、DNAをはじめとする柔軟な周期性の制御と単位格子の定義が可能な生体材料をターゲットとして、単一分子レベルで熱伝導率を定量することを目標として研究を遂行している。2年目は、1年目に構築したブリッジ法を基礎とした超高感度熱伝導測定システムを利用して、実際に試料の測定に着手した。試料長さが2~5μmと適切であるためデバイスの準備が比較的容易であること、フレキシブル熱拡散材料や断熱材への応用が期待されているなど工学的に注目を集めている生体高分子であること、などの研究背景により、本研究では新たにセルロースナノファイバー1分子をターゲット材料として熱伝導測定を行った。測定デバイスは、ラプラス圧などによるサスペンド構造の損傷を抑えるために支持脚の長さや支持脚間の幅を調整し、試料が分散した水溶液中にデバイスを浸して引き上げる方法でデバイスへ導入した。実験の結果、水溶液中への浸水によって破壊されてしまうデバイスもいくつか観察されたが、試料が橋渡しされた状態で測定可能なデバイスを確認することができたため、熱伝導率の測定を行った。測定の結果、直径約6 nm、長さ約2μmのセルロースナノファイバー1本当たり約50 pW/K程度の熱伝導度を定量することに世界に初めて成功し、輻射伝熱の影響などを差し引くことでセルロースナノファイバー1本当たり常温で約2.2±1.1 W/m/Kの熱伝導率を示すことを明らかにした。実験の結果、水溶液に分散させた試料をサスペンド測定系へ導入する場合、測定デバイスの上面よりも下面に張り付く形で橋渡しされる場合が多いことが新たに明らかになり、試料導入後に実験試料の太さを原子間力顕微鏡による測定で定量することが困難であるという新たな技術的課題に直面した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

2年目終了時点で生体材料であるセルロースナノファイバーの単一分子熱伝導測定に世界で初めて成功し、約50 pW/K程度の単一分子熱伝導を高精度で検出することができた点は素晴らしい進捗であると考えられる。しかしながら、実験試料の太さの定量方法など新たな技術的課題に直面した点や測定に適した長さのDNA試料の準備の目途が立たず、セルロース分子以外の試料に対して本測定を適用することが2年目終了時点できていない点を考慮し、進捗状況に関してやや遅れていると判断した。

Strategy for Future Research Activity

3年目は、2年目までに本研究室で確立された超高感度熱伝導率測定法と実験試料の転写方法を利用して、DNA一分子を最終目標として、新たな生体材料の測定に着手する計画である。サスペンド測定系に橋渡しされた試料直径を原子間力顕微鏡で評価することが困難であるという新たな課題を解決するために、新たな戦略として、測定デバイスに橋渡しされた試料を熱伝導測定終了後に透過型電子顕微鏡で直接観察できるようにするために、これまでのデバイス製作プロセスを修正して新たな製作プロセスを確立する計画である。具体的には、厚み200 μmの両鏡面シリコン基板に対して、上部にLPCVD窒化シリコン膜、背面に厚み2.5μm程度の熱酸化膜をそれぞれ成膜した後、上面にデバイスの金属構造、背面にデバイスのサスペンド構造となる部位や最終ステップでデバイスを切り出すために必要な領域の熱酸化膜を部分的に除去した基板を準備して開始材料として利用する。そして上面窒化シリコン膜の除去によるデバイス構造のパターンニング、および背面から熱酸化膜を保護膜とした深堀りRIEプロセスによる露出シリコンの除去を行い、直径約3mmの円形構造内にサスペンド測定系を有したデバイスを並列加工によって量産し、実験に利用する計画である。試料は、2年目までと同様に分散水溶液からの転写によって測定デバイスに導入し、測定終了後にはデバイスを切り出して透過型顕微鏡による観察に挑戦する。2年目までの実験の結果、100 pW/K以下の熱伝導を計測可能であることがわかっていることから、実験試料として、DNAの他に筋原線維やクモの糸内部のモチーフ構造体などタンパク質分子の熱伝導測定にも挑戦し、得られた結果に関しては、これまでと同様に分子シミュレーションを利用して解析して学理構築を行う計画である。

Report

(2 results)
  • 2020 Research-status Report
  • 2019 Research-status Report

Research Products

(20 results)

All 2021 2020 2019

All Journal Article (9 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 9 results,  Open Access: 4 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 1 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] Thermal conduction through individual cellulose nanofibers2021

    • Author(s)
      Adachi Kento、Daicho Kazuho、Furuta Makito、Shiga Takuma、Saito Tsuguyuki、Kodama Takashi
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 118 Pages: 053701-053701

    • DOI

      10.1063/5.0042463

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Anisotropic thermal conductivity measurement of organic thin film with bidirectional 3ω method2021

    • Author(s)
      Yamaguchi Shingi、Shiga Takuma、Ishioka Shun、Saito Tsuguyuki、Kodama Takashi、Shiomi Junichiro
    • Journal Title

      Review of Scientific Instruments

      Volume: 92 Pages: 034902-034902

    • DOI

      10.1063/5.0030982

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      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Scalable monolayer-functionalized nanointerface for thermal conductivity enhancement in copper/diamond composite2021

    • Author(s)
      Xu Bin、Hung Shih-Wei、Hu Shiqian、Shao Cheng、Guo Rulei、Choi Junho、Kodama Takashi、Chen Fu-Rong、Shiomi Junichiro
    • Journal Title

      Carbon

      Volume: 175 Pages: 299-306

    • DOI

      10.1016/j.carbon.2021.01.018

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      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Mechanically Strong, Scalable, Mesoporous Xerogels of Nanocellulose Featuring Light Permeability, Thermal Insulation, and Flame Self-Extinction2021

    • Author(s)
      Sakuma Wataru、Yamasaki Shunsuke、Fujisawa Shuji、Kodama Takashi、Shiomi Junichiro、Kanamori Kazuyoshi、Saito Tsuguyuki
    • Journal Title

      ACS Nano

      Volume: 15 Pages: 1436-1444

    • DOI

      10.1021/acsnano.0c08769

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Fine-tuning of the surface porosity of micropatterned polyethersulfone membranes prepared by phase separation micromolding2019

    • Author(s)
      Liu Yida、Kodama Takashi、Kojima Taisuke、Taniguchi Ikuo、Seto Hirokazu、Miura Yoshiko、Hoshino Yu
    • Journal Title

      Polymer Journal

      Volume: 52 Pages: 397-403

    • DOI

      10.1038/s41428-019-0298-9

    • NAID

      40022335545

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Enhancing Thermal Boundary Conductance of Graphite?Metal Interface by Triazine-Based Molecular Bonding2019

    • Author(s)
      Ota Aun、Ohnishi Masato、Oshima Hisayoshi、Shiga Takuma、Kodama Takashi、Shiomi Junichiro
    • Journal Title

      ACS Applied Materials & Interfaces

      Volume: 11 Pages: 37295-37301

    • DOI

      10.1021/acsami.9b11951

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      2019 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] One-directional thermal transport in densely aligned single-wall carbon nanotube films2019

    • Author(s)
      Yamaguchi Shingi、Tsunekawa Issei、Komatsu Natsumi、Gao Weilu、Shiga Takuma、Kodama Takashi、Kono Junichiro、Shiomi Junichiro
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 115 Pages: 223104-223104

    • DOI

      10.1063/1.5127209

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      2019 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Revealing How Topography of Surface Microstructures Alters Capillary Spreading2019

    • Author(s)
      Lee Yaerim、Matsushima Naoto、Yada Susumu、Nita Satoshi、Kodama Takashi、Amberg Gustav、Shiomi Junichiro
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 9 Pages: 1-11

    • DOI

      10.1038/s41598-019-44243-x

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      2019 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Scalable Multi-nanostructured Silicon for Room-Temperature Thermoelectrics2019

    • Author(s)
      Kashiwagi Makoto、Liao Yuxuan、Ju Shenghong、Miura Asuka、Konishi Shota、Shiga Takuma、Kodama Takashi、Shiomi Junichiro
    • Journal Title

      ACS Applied Energy Materials

      Volume: 2 Pages: 7083-7091

    • DOI

      10.1021/acsaem.9b00893

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    • Peer Reviewed
  • [Presentation] マルチスケール熱伝導測定技術を用いた新規熱工学材料の開発2020

    • Author(s)
      児玉高志
    • Organizer
      第40回電子材料研究討論会
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    • Invited
  • [Presentation] 広温度範囲に亘る単一セルロースナノファイバーの超高精度熱伝導計測2020

    • Author(s)
      足立 建人, 大長 一帆, 齋藤 継之, 児玉高志,
    • Organizer
      熱工学コンファレンス2020
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  • [Presentation] 分子動力学法を用いたセルロースナノフィブリルの熱伝導の次元依存性解析2020

    • Author(s)
      2)古田蒔人,足立建人,大長一帆,齋藤継之,児玉高志,志賀拓麿
    • Organizer
      熱工学コンファレンス2020
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      山口 信義, 志賀 拓麿, 児玉高志, 塩見 淳一郎
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    • Author(s)
      足立 建人, 大長 一帆, 齋藤 継之, 児玉高志,
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      第57回日本伝熱シンポジウム
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      佐藤 彰斗, 足立 建人, 児玉高志
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      第57回日本伝熱シンポジウム
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    • Author(s)
      佐藤彰斗, 足立建人, 児玉高志
    • Organizer
      第58回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シポジウム
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  • [Presentation] 単一セルロースナノファイバーの熱伝導計測2020

    • Author(s)
      足立 建人,大長 一帆,齋藤 継之,児玉高志
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      第67回応用物理学会春季講演会
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      山口 信義, 志賀 拓麿, 児玉高志, 塩見 淳一郎
    • Organizer
      第67回応用物理学会春季講演会
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  • [Presentation] The effect of hydrophobicity on interface thermal resistance between metal and TIM2019

    • Author(s)
      Y. Ira, T. Kodama, J. Shiomi
    • Organizer
      The 2nd Pacific Rim Thermal Engineering Conference (PRTEC2019)
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    • Int'l Joint Research
  • [Book] "ナノスケール熱測定", サーマルデバイス ~新素材・新技術による熱の高度制御と高効率利用~ 第2章 第3節2019

    • Author(s)
      小宅教文/児玉高志/塩見淳一郎
    • Total Pages
      5
    • Publisher
      株式会社 エヌ・ティー・エス
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URL: 

Published: 2019-07-04   Modified: 2021-12-27  

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