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分子の物理・化学吸着による炭素表面での自在ナノ構造作成と機能開拓

研究課題

研究課題/領域番号 20H02553
研究種目

基盤研究(B)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 小区分28010:ナノ構造化学関連
研究機関明治大学

研究代表者

田原 一邦  明治大学, 理工学部, 専任教授 (40432463)

研究分担者 金子 弘昌  明治大学, 理工学部, 専任准教授 (00625171)
研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2022年度)
配分額 *注記
17,940千円 (直接経費: 13,800千円、間接経費: 4,140千円)
2022年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
2021年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
2020年度: 8,580千円 (直接経費: 6,600千円、間接経費: 1,980千円)
キーワード自己組織化 / 固液界面 / 物理吸着 / 化学吸着 / 炭素材料
研究開始時の研究の概要

炭素材料表面をナノレベルで自在修飾する方法の開発は、それら材料の電子状態や物理的性質の精密制御に重要である。分子による表面修飾は、物理吸着法と化学吸着法に大別される。本課題では、設計した有機分子によりこの二つの修飾法を発展させるとともに、融合させた独自のナノレベル表面修飾法を確立する。この方法により、新規修飾グラフェンを作り、高速動作FETデバイスの開発や、超高感度センサへの応用を目指す。

研究実績の概要

炭素材料表面をナノレベルで自在修飾する方法の開発は、それら材料の電子状態や物理的性質の精密制御に重要である。分子による表面修飾法には、物理吸着法と化学吸着(共有結合形成)法がある。本課題では、設計した有機分子によりこの二つの修飾法を深化させ、融合させた独自のナノレベル修飾法を確立する。具体的には、溶媒とグラファイトやグラフェンとの界面において、物理吸着による数十nmの周期を持つ階層的な自己集合単分子膜の作成指針の確立と、自己集合単分子膜が示すキラリティーの高度制御とその利用を第一の目的とする。第二に、物理吸着による自己集合単分子膜を鋳型としたグラファイトやグラフェンへの化学吸着をナノレベルで制御する独自の修飾法を発展させる。最終的には新規修飾グラフェンによる電子デバイスへの応用を目指す。
1. 二次元分子集合体の高度構造制御と機能開拓 三角形のπ共役コアを持ち、キラルな長鎖アルキル基とヒドロキシ基の直交する官能基を持つ分子が、動的な立体配座選択により、階層的かつホモキラルな二次元分子集合体を形成することを明らかにした。
その他にも、階層的な自己集合単分子膜形成を狙い、二等辺三角形コアを持つ分子や、七角形状を持つ分子を新たに合成してそれらの二次元分子集合体を調べた。
2.炭素表面の共有結合形成を伴う周期的な化学修飾 新たな鋳型として、菱形のパイ共役コアに六つのアルキル基が置換した分子が作るカゴメ型の二次元分子集合体や、平行四辺形状の空孔を含む多孔性の二次元分子集合体を用いて、グラファイト表面を化学修飾した。その結果、空孔のサイズや、分子集合体の周期性が反映した、多様な周期修飾表面を作ることができた。
その他に、アルカン誘導体が作るラメラ型分子集合体を鋳型にして化学修飾により作られた直線修飾されたグラファイト表面に対して、他の分子の自己集合へ与える影響を調べた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究では二つの大きな目的のため、研究を進めている。
1. 二次元分子集合体の高度構造制御と機能開拓
分子構造と溶媒極性の変調によって動的に分子の立体配座を制御して、階層的な分子集合体を構築するとともに、そのキラリティーを完全に制御した。このことから、順調に進展してると言える。
2.炭素表面の共有結合形成を伴う周期的な化学修飾
新たな鋳型分子を用いてグラファイト表面を周期修飾することで、従来は直線的または6回対称性のみに限られていた修飾パターンに4回対称性を加えることができた。多様な物理吸着単分子膜を使うことで、さまざまな周期性での化学修飾が可能なことを示し、本手法の一般性を高めた。以上のことから、こちらについても順調に進展していると言える。

今後の研究の推進方策

今後も当初計画に従いながら、これまで得た知見を今後の計画策定にも活用して進めていく。特に、目的2については、付加させる化学修飾基を変更して、さまざまな官能基をもつ修飾基を表面に導入し、さらなる研究展開を図る。国内外の研究分担者、協力者とも十分に打ち合わせを続けて、効率的に研究を展開する。

報告書

(2件)
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書

研究成果

(21件)

すべて 2022 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (4件) 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 3件、 査読あり 3件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (12件) (うち国際学会 2件) 備考 (2件)

  • [国際共同研究] KU Leuven - University of Leuven(ベルギー)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [国際共同研究] National Chiao Tung University(その他の国・地域 台湾)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [国際共同研究] KU Leuven - University of Leuven(ベルギー)

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [国際共同研究] National Chiao Tung University(その他の国・地域、台湾)

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [雑誌論文] Chirality in porous self-assembled monolayer networks at liquid/solid interfaces: induction, reversion, recognition and transfer2021

    • 著者名/発表者名
      Tobe Yoshito、Tahara Kazukuni、De Feyter Steven
    • 雑誌名

      Chemical Communications

      巻: 57 ページ: 962-977

    • DOI

      10.1039/d0cc07374a

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Hierarchical two-dimensional molecular assembly through dynamic combination of conformational states at the liquid/solid interface2020

    • 著者名/発表者名
      Maeda Matsuhiro、Nakayama Ruri、De Feyter Steven、Tobe Yoshito、Tahara Kazukuni
    • 雑誌名

      Chemical Science

      巻: 11 ページ: 9254-9261

    • DOI

      10.1039/d0sc03163a

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Porous Self-Assembled Molecular Networks as Templates for Chiral-Position-Controlled Chemical Functionalization of Graphitic Surfaces2020

    • 著者名/発表者名
      Tahara Kazukuni, Kubo Yuki, Hashimoto Shingo, Ishikawa Toru, Kaneko Hiromasa, Brown Anton, Hirsch Brandon E., De Feyter Steven, Tobe Yoshito
    • 雑誌名

      Journal of the American Chemical Society

      巻: 142 ページ: 7699-7708

    • DOI

      10.1021/jacs.0c02979

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] キラルな長鎖アルコキシ基を持つアリール基が固定されたグラファイト表面の作成とそのキラル分子認識2022

    • 著者名/発表者名
      坂井 虹太、田原 一邦
    • 学会等名
      日本化学会 第102春季年会(2022)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 二次元分子集合ネットワークにおけるナノスケール双晶2022

    • 著者名/発表者名
      山形 恭平、前田 松祐、Zeno Tessari、Kunal S. Mali、Steven De Feyter、田原 一邦
    • 学会等名
      日本化学会 第102春季年会(2022)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 三方型分子が形成する階層的な二次元分子集合体のキラリティー制御2022

    • 著者名/発表者名
      前田 松祐、Steven De Feyter、戸部 義人、田原 一邦
    • 学会等名
      日本化学会 第102春季年会(2022)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 自己集合単分子膜を鋳型とした炭素表面の周期的化 学修飾:対称性と間隔の制御2021

    • 著者名/発表者名
      橋本信吾、黒田拓海、金子 弘昌、Steven De Feyter、戸部 義人、田原一邦
    • 学会等名
      第31 回基礎有機化学討論会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 固液界面で有機分子が形成するナノ双晶2021

    • 著者名/発表者名
      前田松祐、山形恭平、田原一邦
    • 学会等名
      第31 回基礎有機化学討論会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Hierarchical two-dimensional molecular assembly through dynamic combination of conformational states at the liquid/solid interface2021

    • 著者名/発表者名
      Matsuhiro Maeda, Ruri Nakayama, Steven De Feyter, Yoshito Tobe, Kazukuni Tahara
    • 学会等名
      The 2021 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Symmetry and spacing controls in templated covalent functionalization of graphitic surfaces2021

    • 著者名/発表者名
      Shingo Hashimoto, Takumi Kuroda, Hiromasa Kaneko, Steven De Feyter, Yoshito Tobe, Kazukuni Tahara
    • 学会等名
      The 2021 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 三方型分子の動的な立体配座選択による固液界面における階層的な二次元分子集合体2021

    • 著者名/発表者名
      前田 松祐、中山 瑠梨、Steven De Feyter、戸部 義人、田原 一邦
    • 学会等名
      日本化学会第101春季年会(2021)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 分子認識部位を持つアリール基により高密度修飾された炭素表面の開発に関する研究2021

    • 著者名/発表者名
      太田 悠斗、田原 一邦
    • 学会等名
      日本化学会第101春季年会(2021)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] ホモキラルな多孔性自己集合単分子膜を鋳型にした炭素表面の周期的化学修飾2021

    • 著者名/発表者名
      橋本 信吾、久保 有輝、でふぇいたー すてぃーぶん、戸部 義人、田原 一邦
    • 学会等名
      日本化学会第101春季年会(2021)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 三方型分子の動的な立体配座選択による固液界面における階層的な二次元分子集合2020

    • 著者名/発表者名
      前田松祐、中山瑠梨、De Fetyer Steven、戸部 義人、田原 一邦
    • 学会等名
      第10回CSJ化学フェスタ2020
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] ホモキラルな多孔性自己集合単分子膜を鋳型にした炭素表面の周期的化学修飾2020

    • 著者名/発表者名
      橋本信吾、 久保有輝、De Fetyer Steven、戸部義人、田原一邦
    • 学会等名
      第10回CSJ化学フェスタ2020
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [備考] 明治大学理工学部応用化学科機能有機化学研究室

    • URL

      http://www.isc.meiji.ac.jp/%7Ephysorgchem/index.html

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [備考] 明治大学理工学部応用化学科機能有機化学研究室

    • URL

      http://www.isc.meiji.ac.jp/~physorgchem/index.html

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書

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公開日: 2020-04-28   更新日: 2022-12-28  

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