レーザーで拓く高機能結晶の創製

• 研究課題/領域番号: 22KJ2214
• 補助金の研究課題番号: 22J21666 (2022)
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 基金 (2023); 補助金 (2022)
• 応募区分: 国内
• 審査区分: 小区分30010:結晶工学関連
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 高橋 秀実 大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2023-03-08 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 2,500千円 (直接経費: 2,500千円); 2024年度: 800千円 (直接経費: 800千円); 2023年度: 800千円 (直接経費: 800千円); 2022年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
• キーワード: レーザーアブレーション / 結晶 / 多形 / 氷 / レーザートラッピング / 相転移 / 核発生 / 結晶成長 / 種結晶 / パルス時間幅 / 高速カメラ / 有機非線形光学材料

研究開始時の研究の概要

本研究では、レーザー光の「集める・並べる・壊す」といった工作的側面を駆使し、所望の形状・構造を有する高機能材料の創製を試みる。具体的には、短パルスレーザーが誘起する物質破壊現象（レーザーアブレーション法）と集光レーザービームが誘起する物質捕捉現象（光ピンセット法）を同時利用可能な新たなシステムを構築し、分子間力を能動的に操作しながら結晶化の制御を行う。サンプルとしては、医薬品材料や有機非線形光学材料を対象とし、従来法では作製困難な形状・構造を有する結晶の作製を目指す。

研究実績の概要

本研究の目的は、レーザー光の「集める・並べる・壊す」といった工作的作用を駆使して結晶化を制御することである。
令和5年度は短パルスレーザーが誘起する物質破壊現象（レーザーアブレーション）と集光レーザービームによる物質捕捉現象（光ピンセット）を用いて結晶化の制御を行った．まずレーザーアブレーションにおいては、準安定多形（β形）のグリシン結晶を超短パルスレーザーによって局所破壊すると、破壊痕から安定形（α形またはγ形）への多形相転移が誘起されることを見出した。そこで、超短パルスレーザーの3次元的な加工特性を駆使したところ、結晶内部の相転移速度は結晶表面と比べて著しく遅いこと（例：～50倍）がわかった。また、過飽和の酢酸ナトリウム水溶液をレーザーアブレーションすることで、集光点の近傍から結晶が析出した。このとき析出する結晶の多形は、レーザーパラメーター（エネルギー、パルス時間幅など）に強く依存することを見出した。
一方光ピンセットにおいては、結晶化チャンバーを改良することで、これまで困難であった有機溶媒からの結晶化を実証した。また、光ピンセットによる結晶化制御を世界に先駆けて研究を行っている台湾国立陽明交通大学にも渡航し研究を行った。その結果、光ピンセットを用いることで通常の手法（育成環境の最適化）では得られない特異な凝集構造が形成する可能性を見出した。
以上の結果は、レーザーアブレーションと光ピンセットを駆使することで、結晶多形を能動的に操作できる可能性を示している。機能材料の性能は結晶多形にも強く依存することから、レーザーの工作的作用を用いることで高い機能性を有する結晶を作製できると期待される。
これらの成果は、国内外の学術会議にて成果報告した。また、アメリカ化学会の雑誌（The Journal of Physical Chemistry Lettersなど）に計3報出版した。

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

年度当初に予定していた、レーザー技術の高度化と幅広い材料への応用を実証した。そして、その結果を複数の国内外の学術会議にて成果報告するとともに、学術論文誌に出版できた。よって本研究課題はおおむね順調に進展しているといえる。

今後の研究の推進方策

今後もレーザーアブレーションと光ピンセットを様々な材料に適応して、結晶の形・構造の制御に取り組む。

研究成果

• [国際共同研究] 国立陽明交通大学(その他の国・地域（台湾）)
• [雑誌論文] Spatiotemporal Control of Polymorphic Phase Transition of Glycine Crystals by Three-Dimensional Femtosecond Laser Ablation Processing (2024)
  • 著者名/発表者名: Hozumi Takahashi,Yudai Yoshimura,Ryota Murai,Ryuzo Kawamura,Mihoko Maruyama,Masahi Yoshimura,Yusuke Mori, Hiroshi Y. Yoshikawa
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 15 号: 1 ページ: 180-186
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c02769
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Advanced Interferometry with 3-D Structured Illumination Reveals the Surface Fine Structure of Complex Biospecimens (2024)
  • 著者名/発表者名: Takahisa Matsuzaki, Ryuzo Kawamura, Akihisa Yamamoto, Hozumi Takahashi, Mai Fujii, Shodai Togo, Yosuke Yoneyama, Fumihiko Hakuno, Shin-Ichiro Takahashi, Masami Suganuma, Seiichiro Nakabayashi, Shivani Sharma, James K. Gimzewski, Hiroshi Y. Yoshikawa
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 15 号: 4 ページ: 1097-1104
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c02767
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Spatiotemporal Control of Ice Crystallization in Supercooled Water via an Ultrashort Laser Impulse (2023)
  • 著者名/発表者名: Takahashi Hozumi、Kono Tatsuya、Sawada Kosuke、Kumano Satoru、Tsuri Yuka、Maruyama Mihoko、Yoshimura Masashi、Takahashi Daisuke、Kawamura Yukio、Uemura Matsuo、Nakabayashi Seiichiro、Mori Yusuke、Hosokawa Yoichiroh、Yoshikawa Hiroshi Y.
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 14 号: 19 ページ: 4394-4402
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c00414
  • 査読あり
• [雑誌論文] Production of Single Crystalline Seeds of Organic Nonlinear Optical Materials via Laser Ablation (2023)
  • 著者名/発表者名: Takahashi Hozumi、Shiraiwa Megumi、Mag-usara Valynn Katrine、Dai Ruochen、Agulto Verdad C.、Kato Kosaku、Nakajima Makoto、Yamaji Mayu、Nakabayashi Seiichiro、Maruyama Mihoko、Mori Yusuke、Yoshimura Masashi、Yoshikawa Hiroshi Y.
  • 雑誌名: The Journal of Physical Chemistry C 巻: 127 号: 28 ページ: 14005-14012
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.3c03189
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Control of Crystallization of Molecular Materials via Focused Irradiation with Laser Pulses (2023)
  • 著者名/発表者名: Hozumi Takahashi, Teruki Sugiyama, Yoichiroh Hosokawa, and Hiroshi. Y. Yoshikawa
  • 学会等名: International Workshop on Laser Material Processing and Applications 2023 (LMPA 2023)
• [学会発表] Spatiotemporal control of ice crystallization in supercooled water by focused irradiation with laser pulses (2023)
  • 著者名/発表者名: Hozumi Takahashi, Tatsuya Kono, Kosuke Sawada, Satoru Kumano, Yuka Tsuri, Mihoko Maruyama, Masashi Yoshimura, Daisuke Takahashi, Yukio Kawamura, Matsuo Uemura, Seiichiro Nakabayashi, Yusuke Mori, Yoichiroh Hosokawa, and Hiroshi. Y. Yoshikawa
  • 学会等名: International Conference on Crystal Growth and Epitaxy (ICCGE20)
• [学会発表] Spatial control of polymorphic phase transition from β-form of glycine crystals by focused irradiation with a femtosecond laser pulse (2023)
  • 著者名/発表者名: Hozumi Takahashi, Yudai Yoshimura Ryota Murai, Ryuzo Kawamura, Mihoko Maruyama, Masashi Yoshimura, Yusuke Mori and Hiroshi Y. Yoshikawa
  • 学会等名: The 31st International Conference on Photochemistry (ICP 2023)
• [学会発表] High-speed observation of ice crystallization dynamics in supercooled water triggered by laser ablation (2023)
  • 著者名/発表者名: Hozumi Takahashi, Tatsuya Kono, Kosuke Sawada, Satoru Kumano, Yuka Tsuri, Mihoko Maruyama, Masashi Yoshimura, Daisuke Takahashi, Yukio Kawamura, Matsuo Uemura, Seiichiro Nakabayashi, Yusuke Mori, Yoichiroh Hosokawa, and Hiroshi Y. Yoshikawa
  • 学会等名: The 24th International Symposium on Laser Precision Microfabrication (LPM2023)
• [学会発表] Growth Promotion of Targeted Crystal Face of Organics Compounds and Proteins by Nano-Processing via Laser Ablation (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Yoshikawa, Hozumi Takahashi, Mayu Yamaji, Chi-Shiun Wu, Megumi Shiraiwa, Daiki Suzuki, Teruki Sugiyama, Makoto Nakajima, Masashi Yoshimura, Yusuke Mori, Seiichiro Nakabayashi, Mihoko Maruyama
  • 学会等名: International Conference on Crystal Growth and Epitaxy (ICCGE20)
• [学会発表] High-speed imaging of laser ablation in supersaturated solutions towards understanding of laser-induced crystallization mechanism (2023)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Y. Yoshikwa, Yuka Tsuri, Hozumi Takahashi, Megumi Shiraiwa, Yusuke Takaoka, Satomi Ebihara, Katsuo Tsukamoto, Takashi Onuma, Ryutaro Shimada, Tomohiko Tateshima, Kazufumi Takano, Hiroaki Adachi, Masashi Yoshimura, Yoichiroh Hosokawa, Seiichiro Nakabayashi, Mihoko Maruyama, Yusuke Mori
  • 学会等名: The 24th International Symposium on Laser Precision Microfabrication (LPM2023)
• [学会発表] レーザーアブレーションによる有機非線形光学結晶の液中加工 (2023)
  • 著者名/発表者名: 高橋秀実，白岩愛実，山地真由，Valynn K. Mag-usara，北原英明，中嶋誠，丸山美帆子，吉村政志，森勇介，杉山輝樹，中林誠一郎，吉川洋史
  • 学会等名: 応用物理学会関西支部2023年度第1回講演会
• [学会発表] レーザートラッピングを用いたコロイド結晶形成制御法の探索 (2023)
  • 著者名/発表者名: 藤井紀文，高橋秀実，松﨑賢寿，吉川洋史
  • 学会等名: レーザー学会 中国・四国支部 関西支部連合 若手学術交流研究会2023
• [学会発表] フラーレン結晶の成長速度・形状にレーザー照射が与える影響の評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 伏本航，高橋秀実，丸山美帆子，鈴木凌，橘勝，吉川洋史
  • 学会等名: 第52回結晶成長国内会議
• [学会発表] 有機溶媒系におけるレーザー誘起結晶化ダイナミクスの解明 (2023)
  • 著者名/発表者名: 清水大督，高橋秀実，釣優香，丸山美帆子，吉村政志，森勇介，吉川洋史
  • 学会等名: 応用物理学会関西支部2023年度第2回講演会
• [学会発表] 超短パルスレーザーによる酢酸ナトリウムの疑似多形誘起とそのダイナミクス計測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 高岡佑介，高橋秀実，海老原里美，釣優香，丸山美帆子，吉村政志，森勇介，吉川洋史
  • 学会等名: 応用物理学会関西支部2023年度第2回講演会
• [学会発表] 集光レーザービームがフラーレン結晶成長に与える影響の評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 伏本航，高橋秀実，丸山美帆子，鈴木凌，橘勝，吉川洋史
  • 学会等名: 2023年大阪大学JSAP学生チャプター講演会
• [学会発表] レーザートラッピングを用いた有機材料/有機溶媒系の結晶化制御法の探求 (2023)
  • 著者名/発表者名: 清水大督，高橋秀実，釣優香，丸山美帆子，吉村政志，森勇介，吉川洋史
  • 学会等名: 光・量子ビーム科学合同シンポジウム2023
• [学会発表] Production of Organic Functional Crystals by Using Intensive Lasers (2023)
  • 著者名/発表者名: 高岡佑介，海老原里美，高橋秀実，釣優香，丸山美帆子，吉村政志，森勇介，吉川洋史
  • 学会等名: 光・量子ビーム科学合同シンポジウム2023
• [学会発表] Control of crystallization via lasers in Japan and Taiwan (2023)
  • 著者名/発表者名: Hozumi Takahashi
  • 学会等名: Taiwan Interdisciplinary Nano/Bio Symposium in Kansai Program
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Laser Ablation-Induced Crystal Nucleation from Melt (2022)
  • 著者名/発表者名: Hozumi Takahashi, Satomi Ebihara, Teruki Sugiyama, Seiichiro Nakabayashi, Hiroshi Y. Yoshikawa
  • 学会等名: 16th International Conference on Laser Ablation (COLA2021/22)
  • 国際学会
• [学会発表] High-Speed Imaging of Ice Crystallization Dynamics Triggered by Laser Ablation (2022)
  • 著者名/発表者名: Hozumi Takahashi, Yuka Tsuri, Mihoko Maruyama, Masashi Yoshimura, Seiichiro Nakabayashi, Yusuke Mori, Hiroshi. Y. Yoshikawa
  • 学会等名: Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim 2022 (CREO-PR 2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Crystal nucleation of ice and sodium acetate by laser ablation with a single laser pulse (2022)
  • 著者名/発表者名: Hozumi Takahashi, Satomi Ebihara, Yusuke Takaoka, Yuka Tsuri, Mihoko Maruyama, Masashi Yoshimura, Seiichiro Nakabayashi, Teruki Sugiyama, Yusuke Mori, Hiroshi. Y. Yoshikawa
  • 学会等名: The 15th Asia Pacific Physics Conference (APPC15)
  • 国際学会
• [学会発表] 短パルスレーザー集光照射による融液からの結晶核発生 (2022)
  • 著者名/発表者名: 高橋秀実，釣優香，丸山美帆子，吉村政志，杉山輝樹，中林誠一郎，森勇介，吉川洋史
  • 学会等名: 応用物理学会関西支部2022年度第1回講演会
• [学会発表] 液中レーザーアブレーションを駆使した氷晶化過程の高速イメージング (2022)
  • 著者名/発表者名: 高橋秀実，釣優香，丸山美帆子，中林誠一郎，森勇介，吉村政志，吉川洋史
  • 学会等名: 光・量子ビーム科学合同シンポジウム2022
• [学会発表] 超短パルスレーザー集光単発照射による氷の結晶化過程の詳細観察 (2022)
  • 著者名/発表者名: 高橋秀実，釣優香，丸山美帆子，吉村政志，中林誠一郎，森勇介，吉川洋史
  • 学会等名: 第51回結晶成長国内会議
• [学会発表] フェムト秒レーザー誘起結晶化のダイナミクス計測 ～酢酸ナトリウム水溶液～ (2022)
  • 著者名/発表者名: 高岡佑介，海老原里美，高橋秀実，釣優香，丸山美帆子，吉村政志，森勇介，吉川洋史
  • 学会等名: 第51回結晶成長国内会議
• [学会発表] レーザートラッピング結晶化の溶媒依存性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 清水大督，高橋秀実，釣優香，丸山美帆子，吉村政志，森勇介，吉川洋史
  • 学会等名: 第51回結晶成長国内会議
• [学会発表] レーザーによるグリシン結晶の相転移誘起とその場観察 (2022)
  • 著者名/発表者名: 高橋秀実，吉村侑大，川村隆三，山崎祐，村井良多，丸山美帆子，吉村政志，森勇介，吉川洋史
  • 学会等名: 第30回有機結晶シンポジウム
• [学会発表] レーザーアブレーションによる分子結晶の核発生・成長制御 ～融液系・非線形光学材料～ (2022)
  • 著者名/発表者名: 高橋秀実，吉川洋史
  • 学会等名: レーザー学会 中国・四国支部 関西支部連合 若手学術交流研究会2022