| 研究領域 | 超セラミックス：分子が拓く無機材料のフロンティア |
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| 研究課題/領域番号 |
22H05144
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| 研究種目 |
学術変革領域研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
学術変革領域研究区分(Ⅱ)
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| 研究機関 | 九州大学 |
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研究代表者 |
大谷 亮 九州大学, 理学研究院, 准教授 (30733729)
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| 研究分担者 |
定金 正洋 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 教授 (10342792)
高橋 雅英 大阪公立大学, 大学院工学研究科, 教授 (20288559)
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| 研究期間 (年度) |
2022-06-16 – 2027-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2025年度)
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| 配分額 *注記 |
168,480千円 (直接経費: 129,600千円、間接経費: 38,880千円)
2026年度: 30,030千円 (直接経費: 23,100千円、間接経費: 6,930千円)
2025年度: 29,640千円 (直接経費: 22,800千円、間接経費: 6,840千円)
2024年度: 29,510千円 (直接経費: 22,700千円、間接経費: 6,810千円)
2023年度: 44,070千円 (直接経費: 33,900千円、間接経費: 10,170千円)
2022年度: 35,230千円 (直接経費: 27,100千円、間接経費: 8,130千円)
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| キーワード | 超セラミックス / 極性 / シアノ / ポリオキソメタレート / 薄膜 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
無機材料の新物性を開拓し機能性を高めるためには、構造の次元性と結晶形態の制御が欠かせない。これは、電子状態や構造特性が、結晶中での強固な無機骨格の組み上がり方によって制御されると同時に、表面積や露出している結晶面、ドメインサイズといった粒体のもつマクロな因子にも大きな影響を受けるためである。本研究では、分子を高度に扱うことを得意とする錯体化学に立脚した合成開拓を通じて、超セラミックスの構造次元性と結晶形態に着目した構造設計指針を確立する。
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| 研究実績の概要 |
シアニドによる極性一次元鎖超セラミックスすなわち強誘電イオン伝導体がもつ結晶内の水分子拡散の整流特性を計算化学的に明らかにした。極性軸に沿った正・負の方向により約0.2 eV の活性化エネルギーの違いが観測され、一方向に水分子が流れやすいことが分かった。さらに、水分子とシアニドの反結合的相互作用がエネルギーの違いを生み出していることも分かった。また、結晶内におけるシアニドの配列が波打っている超セラミックス結晶の異方的なプロトン伝導性と水分子の拡散挙動について実験と計算の両面から明らかにした。
POM（タングステンやモリブデンのアニオン性分子）を高次に連結した超セラミックスに関しては、メチルアンモニウムカチオンを有するポリオキソモリブデートを加熱することで規則的細孔構造を持つヘキサゴナル酸化モリブデンが合成できる事を見出した。Li電池材料や超電導材料への利用が期待できる。また、Cp*Irや(Benzene)Ruといった有機錯体、Nbまたはフェニルフォスフェイト基を含んだ新規ポリオキソメタレートの合成に成功した。
汎用的なセラミックスを前駆体として、その表面で金属有機構造体（MOFs）を外圏型物質（結晶）として形成する「外圏型超セラミックス」の合成を行うことで、MOF結晶の配向・結晶形態の高度な制御が可能となることを見出した。例えば、水酸化銅上で有機配位子が反応する方向を規定することで、結晶方位および結晶サイズが制御されたCu系MOF（Cu-MOF-74など）の薄膜が得られることがわかった。これらのMOF膜により、アルコールセンサーや偏光依存性プラズモン加熱デバイスの開発が達成されるなど、本アプローチは、高機能性超セラミックス材料の創製に有用である。
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
1: 当初の計画以上に進展している
理由
超セラミックスの構造異方性がプロトン伝導と水拡散現象の異方性を生み出していることを明らかにし、それを踏まえた新物質開発がさらに進んでいることから判断した。
ヘキサゴナル酸化モリブデンの新規合成法や、様々な新規ポリオキソメタレート分子の合成法を論文として発表したことから判断した。
「外圏型超セラミックス」の概念により、セラミックス表面での分子配向を達成し、その分子配向層を起点としてMOFsを成長することで、機能性物質であるMOF結晶の配向・結晶形態の高度な制御が可能となった。以上の成果により、エピタキシャル成長による有機-無機ハイブリッド結晶の成長方位制御の基盤拡大への進展が期待されるだけでなく、新たな機能の開拓を達成したことから判断した。
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| 今後の研究の推進方策 |
極性超セラミックスに関して、新物質開発を通じたイオン電導特性と強誘電性の評価をさらに進める。特に、結晶軸方向に応じた機能性に関して、単結晶試料を用いた実験と計算化学の両面から詳細な検討を進める。
ヘキサゴナル酸化モリブデンのLi電極や超電導体への応用はC03班と共同で進めていく。5角形形モリブデンPOMを組み上げた3次元POM超セラミックス結晶の詳細な結晶構造解析をB01班と共同で進めていく。
二次元超セラミックスに関しては、より精密なエピタキシャル界面制御へと展開したい。特に、領域内のA01~03班と協力して、一般的なセラミックスのエピタキシャル成長で用いられるような高品質の単結晶膜上へのMOFのエピタキシャル成長を達成し、機能発現へとつなげる。また、これらの界面における構造の解析をB班と共同で進める。また、汎用的な機能性セラミックスとMOF等の外圏側の機能性物質との界面で生じる機能の開拓を検討する。
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