テーブルトップ型超高速電子線を用いたソフトクリスタルの光誘起現象の動画撮影

• 研究領域: ソフトクリスタル：高秩序で柔軟な応答系の学理と光機能
• 研究課題/領域番号: 18H04519
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 羽田 真毅 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (70636365)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円); 2019年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円); 2018年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
• キーワード: ソフトクリスタル / 構造ダイナミクス / 時間分解電子線回折法 / 超高速現象 / 計測技術

研究実績の概要

本研究では、テーブルトップ型超高速時間分解電子線回折法を駆使して、光応答性の結晶や液晶などのソフトクリスタルの分子動画を撮影する。すなわち、その物質の立体構造を理解し、光誘起構造変化ダイナミクスの詳細を解明することを目的としている。我々は領域内の共同研究として(1)酸化グラフェンの光還元のメカニズムを解明した。さらに、(2)アゾベンゼン液晶の光異性化による共同運動の観察を行った。
(1)九州大学の恩田研究室との新学術領域内共同研究を通して、テーブルトップ型超高速時間分解電子線回折法と超高速時間分解赤外振動分光法を組み合わせた計測法を確立した。本手法を用いて、酸化グラフェンなどのより複雑で従来の計測手法ではその構造や構造ダイナミクスが全く理解できない物質へ応用した。酸化グラフェンはグラフェンの誘導体である。酸化グラフェンは、水に溶解し化学操作が可能となり、また光照射や加熱により還元された物質はグラフェンに近い特性をもつため、応用研究が進められている。しかし、その構造や還元中の構造ダイナミクスは非常に複雑であるため、理解されていないのが現状であった。我々は、光照射中の酸化グラフェンの光還元中の分子運動に注目することにより、酸化グラフェンの光還元のメカニズムの解明に成功した。
(2)超高速時間分解電子線回折法を最も代表的な光応答性液晶であるアゾベンゼン液晶に適応した。その結果、アゾベンゼン液晶の構造変化は100ピコ秒で生じ、これまで考えられてきた速度よりも1万倍速ことが分かった。また、光などの外部刺激を与えると系は分子が乱れることはよく報告されているが、本研究では光刺激によって分子が揃う方向に系が変化することを示した。さらに、1%程度のわずかな構造の変化で系全体が変化するという共同的運動も見られた。本成果は、初めて液晶中の分子間相互作用中の構造ダイナミクスを観測したものである。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Liquid-like dielectric response is an origin of long polaron lifetime exceeding 10 μ s in lead bromide perovskites (2020)
  • 著者名/発表者名: Kiyoshi Miyata, Ryota Nagaoka, Masaki Hada, Takanori Tanaka, Ryuji Mishima, Taihei Kuroda, Sota Sueta, Takumi Iida, Yoshifumi Yamashita, Takeshi Nishikawa, Kenji Tsuruta, Yasuhiko Hayashi, Ken Onda, Toshihiko Kiwa, Takashi Teranishi
  • 雑誌名: The Journal of Chemical Physics 巻: 152 号: 8 ページ: 084704-084704
  • DOI: 10.1063/1.5127993
  • 査読あり
• [雑誌論文] The critical role of the forest morphology for dry drawability of few-walled carbon nanotubes (2020)
  • 著者名/発表者名: H. Inoue, M. Hada, T. Nakagawa, T. Marui, T. Nishikawa, Y. Yamashita, Y. Inoue, K. Takahashi, Y. Hayashi
  • 雑誌名: Carbon 巻: 158 ページ: 662-671
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2019.11.038
  • 査読あり
• [雑誌論文] One-minute Joule Annealing Enhances the Thermoelectric Properties of Carbon Nanotube Yarns via the Formation of Graphene at the Interface (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Hada, T. Hasegawa, H. Inoue, M. Takagi, K. Omoto, D. Chujo, S. Iemoto, T. Kuroda, T. Morimoto, T. Hayashi, T. Iijima, T. Tokunaga, N. Ikeda, K. Fujimori, C. Itoh, T. Nishikawa, Y. Yamashita, T. Kiwa, S. Koshihara, S. Maeda, Y. Hayashi
  • 雑誌名: ACS Applied Energy Materials 巻: 2 号: 10 ページ: 7700-7708
  • DOI: 10.1021/acsaem.9b01736
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Ultrafast isomerization-induced cooperative motions to higher molecular orientation in smectic liquid-crystalline azobenzene molecules (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Hada, D. Yamaguchi, T. Ishikawa, T. Sawa, K. Tsuruta, K. Ishikawa, S. Koshihara, Y. Hayashi, T. Kato
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 10 号: 1 ページ: 4159-4159
  • DOI: 10.1038/s41467-019-12116-6
  • NAID: 120006812113
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Selective Reduction Mechanism of Graphene Oxide Driven by the Photon Mode versus the Thermal Mode (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Hada, K. Miyata, S. Ohmura, Y. Arashida, K. Ichiyanagi, I. Katayama, T. Suzuki, W. Chen, S. Mizote, T. Sawa, T. Yokoya, T. Seki, J. Matsuo, T. Tokunaga, C. Itoh, K. Tsuruta, R. Fukaya, S. Nozawa, S. Adachi, J. Takeda, K. Onda, S. Koshihara, Y. Hayashi, Y. Nishina
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 13 号: 9 ページ: 10103-10112
  • DOI: 10.1021/acsnano.9b03060
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Ultrafast time-resolved electron diffrac-tion revealing the reduction mechanism of graphene oxide through the photon and thermal modes (2020)
  • 著者名/発表者名: M. Hada
  • 学会等名: 日本化学会 第100春季年会
  • 招待講演
• [学会発表] Ultrafast combinational techniques revealing reduction mechanisms of graphene oxide via photoexictation and heating (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Hada, K. Miyata, S. Ohmura, S. Koshihara, Y. Hayashi, K. Onda, Y. Nishina
  • 学会等名: International Conference on the Science and Application of Nanotubes and Low-Dimensional Materials
  • 国際学会
• [学会発表] Unveiling the structure and reduction mechanism of graphene oxide by ultrashort pulsed electron diffraction (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Hada, Y. Nishina
  • 学会等名: 相変化研究会シンポジウム2019
  • 招待講演
• [学会発表] Ultrafast structural dynamics of soft matter (2019)
  • 著者名/発表者名: Masaki Hada
  • 学会等名: 6th Banff Meeting on Structural Dynamics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Structure and photoinduced dynamics of graphene oxide revealed by ultrafast time-resolved electron diffraction (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Sawa, M. Hada, K. Miyata, S. Ohmura, Y. Arashida, K. Ichiyanagi, I. Katayama, T. Suzuki, W. Chen, S. Mizote, T. Nishikawa, Y. Yamashita, T. Yokoya, T. Seki, J. Matsuo, T. Tokunaga, C. Itoh, K. Tsuruta, R. Fukaya, S. Nozawa, S. Adachi, J. Takeda, K. Onda, S. Koshihara, Y. Hayashi, Y. Nishina
  • 学会等名: 6th Banff Meeting on Structural Dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] ソフトクリスタルの光誘起現象を超高速時間分解電子線回折法で観察する (2019)
  • 著者名/発表者名: 羽田真毅
  • 学会等名: 日本化学会第99春季年会
  • 招待講演