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構造ダイナミクスの動画撮影

• 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: 20H04657
• 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
• 審査区分: 理工系
• 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): 2020-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円); 2021年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円); 2020年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
• キーワード: ソフトクリスタル / 構造ダイナミクス / 超高速現象 / 時間分解電子線回折法

研究開始時の研究の概要

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、外部刺激に応答するソフトクリスタルの分子動画の撮影を行う。次世代の外部刺激応答性を有する分子組織体の創出のためには、刺激応答中の過渡的な分子構造を理解することが一つの重要課題であると考えられる。我々は、日本で先駆けて時間分解能500フェムト秒を持つテーブルトップ型の超高速時間分解電子線回折装置を完成させている。本装置を用いて、分子間相互作用が深く関わる結晶・液晶などのいわゆるソフトクリスタルの分子凝集系を対象として、外部刺激によって変化の生じる分子構造をダイナミックに観測する。

研究実績の概要

本公募研究では、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、外部刺激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、外部刺激で誘起される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。
2021年度は、領域内の共同研究としてダブルペロブスカイトコバルト酸化物であるEuBaCo2O5.39結晶中で光照射によって酸化物イオンが運動する様子を時間分解電子線回折法を用いて観測することに成功し、その成果をApplied Materials Today誌に掲載し、筑波大学、東京工業大学、広島工業大学から共同でプレス・リリースを行った。また、前回の公募研究で得られた成果である酸化グラフェンの光還元のメカニズムの続報として、光照射によって酸化グラフェンが二層化する現象の観測に成功し、Carbon誌に掲載された。その他、時間分解電子線回折法によって得られた構造ダイナミクスから着想した材料設計を行い、より高機械強度、高電気伝導度、高熱伝導度を持つナノカーボン複合体の作製にも成功しており、この研究結果は、Nanotechnology誌に掲載された。現在、羽ばたくことで剥離を生じる結晶・液晶分子や、超イオン伝導を示す銅硫化物のナノ粒子、熱活性遅延蛍光物質などにも時間分解電子線回折実験を応用し、その光照射特有の構造ダイナミクスを得ている。新学術領域の終了後も引き続き、それらの成果を報告する予定である。

現在までの達成度 (段落)

令和3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3年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] University of Surrey(英国)
• [雑誌論文] Enhancement of the mechanical and thermal transport properties of carbon nanotube yarns by boundary structure modulation (2022)
  • 著者名/発表者名: Shikata Ryo、Suzuki Hiroo、Hayashi Yuta、Hasegawa Taisuke、Shigeeda Yuho、Inoue Hirotaka、Yajima Wataru、Kametaka Jun、Maetani Mitsuaki、Tanaka Yuichiro、Nishikawa Takeshi、Maeda Satoshi、Hayashi Yasuhiko、Hada Masaki
  • 雑誌名: Nanotechnology 巻: 33 号: 23 ページ: 235707-235707
  • DOI: 10.1088/1361-6528/ac57d5
  • 査読あり
• [雑誌論文] Highly Oriented Carbon Nanotube Supercapacitors (2022)
  • 著者名/発表者名: Komatsubara Kohei、Suzuki Hiroo、Inoue Hirotaka、Kishibuchi Misaki、Takahashi Shona、Marui Tatsuki、Umezawa Shigeyuki、Nakagawa Tomohiro、Nasu Kyohei、Maetani Mitsuaki、Tanaka Yuichiro、Yamada Miyato、Nishikawa Takeshi、Yamashita Yoshifumi、Hada Masaki、Hayashi Yasuhiko
  • 雑誌名: ACS Applied Nano Materials 巻: 5 号: 1 ページ: 1521-1532
  • DOI: 10.1021/acsanm.1c04236
  • 査読あり
• [雑誌論文] Challenges for developing photo-induced phase transition (PIPT) systems: from classical (incoherent) to quantum (coherent) control of PIPT dynamics (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Koshihara, T. Ishikawa, Y. Okimoto, K. Onda, R. Fukaya, M. Hada, Y. Hayashi, S. Ishihara, T. Luty
  • 雑誌名: Phys. Rep. 巻: 942 ページ: 1-61
  • DOI: 10.1016/j.physrep.2021.10.003
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Photoinduced Oxygen Transport in Cobalt Double-Perovskite Crystal EuBaCo2O5.39 (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Hada, S. Ohmura, T. Ishikawa, M. Saigo, N. Keio, W. Yajima, T. Suzuki, D. Urushihara, K. Takubo, Y. Masaki, M. Kuwahara, K. Tsuruta, Y. Hayashi, J. Matsuo, T. Yokoya, K. Onda, F. Shimojo, M. Hase, S. Ishihara, T. Asaka, N. Abe, T. Arima, S. Koshihara, Y. Okimoto
  • 雑誌名: Appl. Mater. Today 巻: 24 ページ: 101167-101167
  • DOI: 10.1016/j.apmt.2021.101167
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Tracking the light-driven layer stacking of graphene oxide (2021)
  • 著者名/発表者名: Hada Masaki、Ohmura Satoshi、Yamamoto Yuki、Kishibe Yoshiya、Yajima Wataru、Shikata Ryo、Iguchi Tomohiro、Akada Keishi、Yoshida Shoji、Fujita Jun-ichi、Koshihara Shin-ya、Nishina Yuta
  • 雑誌名: Carbon 巻: 183 ページ: 612-619
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2021.07.058
  • 査読あり
• [雑誌論文] Phonon transport probed at carbon nanotube yarn/sheet boundaries by ultrafast structural dynamics (2020)
  • 著者名/発表者名: Hada Masaki、Makino Kotaro、Inoue Hirotaka、Hasegawa Taisuke、Masuda Hideki、Suzuki Hiroo、Shirasu Keiichi、Nakagawa Tomohiro、Seki Toshio、Matsuo Jiro、Nishikawa Takeshi、Yamashita Yoshifumi、Koshihara Shin-ya、Stolojan Vlad、Silva S. Ravi P.、Fujita Jun-ichi、Hayashi Yasuhiko、Maeda Satoshi、Hase Muneaki
  • 雑誌名: Carbon 巻: 170 ページ: 165-173
  • DOI: 10.1016/j.carbon.2020.08.026
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A mechanistic investigation of moisture-induced degradation of methylammonium lead iodide (2020)
  • 著者名/発表者名: Hada Masaki、Abdullah Al Asad Md.、Misawa Masaaki、Hasegawa Yoichi、Nagaoka Ryota、Suzuki Hiroo、Mishima Ryuji、Ota Hiromi、Nishikawa Takeshi、Yamashita Yoshifumi、Hayashi Yasuhiko、Tsuruta Kenji
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 117 号: 25 ページ: 253304-253304
  • DOI: 10.1063/5.0021338
  • NAID: 120007188753
  • 査読あり
• [雑誌論文] Exploring Structures and Dynamics of Molecular Assemblies: Ultrafast Time-Resolved Electron Diffraction Measurements (2020)
  • 著者名/発表者名: Hada Masaki、Nishina Yuta、Kato Takashi
  • 雑誌名: Accounts of Chemical Research 巻: 54 号: 3 ページ: 731-743
  • DOI: 10.1021/acs.accounts.0c00576
  • 査読あり
• [学会発表] カーボンナノチューブ・窒化ホウ素ナノチューブヘテロ接合に生じる超高速エネルギー移動 (2022)
  • 著者名/発表者名: 四方諒、岸淵美咲、矢嶋渉、鈴木弘朗、大村訓史、林靖彦、羽田真毅
  • 学会等名: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 光剥離する有機液晶分子の超高速構造ダイナミクス計測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 齋田友梨、小西智暉、佐藤竜馬、中池由美、矢嶋渉、四方諒、原光生、齊藤尚平、羽田真毅
  • 学会等名: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 時間分解電子線回折法を用いたグラフェン誘導体の構造ダイナミクス計測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 羽田真毅
  • 学会等名: 応用物理学会M&BE新分野開拓研究会
  • 招待講演
• [学会発表] カーボンナノチューブの界面構造と熱特性・機械特性の相関 (2021)
  • 著者名/発表者名: 四方諒、鈴木弘朗、亀高諄、重枝勇歩、井上寛隆、矢嶋渉、前谷光顕、田中佑一郎、西川亘、林靖彦、羽田真毅
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Real-time Control of Liquid Crystalline Adhesive by Turning Ultraviolet Light On and Off (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Konishi, Y. Saida, W. Yajima, R. Shikata, M. Hada, Y. Shimoda, K. Miyata, Y. Yoneda, H. Kuramochi, Y. Nakaike, M. Hara, R. Sato, T. Yamakado, R. Kotani, S. Saito
  • 学会等名: 2021年光化学討論会
• [学会発表] Ultrafast Time-Resolved Electron Diffraction Capturing Layer Stacking Dynamics of Graphene Oxide (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Yamamoto, S. Ohmura, Y. Kishibe, W. Yajima, R. Shikata, K. Akada, S. Yoshida, J. Fujita, S. Koshihara, Y. Nishina, M. Hada
  • 学会等名: OLC2021
  • 国際学会
• [学会発表] Molecular liquid crystal adhesive that melts by light: Mechanism elucidation of the photomelting function (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Konishi, Y. Nakaike, M. Hara, R. Sato, Y. Saida, W. Yajima, R. Shikata, M. Hada, S. Saito
  • 学会等名: OLC2021
  • 国際学会
• [学会発表] Light-melt adhesives: Structural design and adhesive performances (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Konishi, Y. Nakaike, M. Hara, R. Sato, Y. Saida, W. Yajima, R. Shikata, M. Hada, S. Saito
  • 学会等名: OLC2021
  • 国際学会
• [学会発表] Ultrafast time-resolved electron diffraction with double-pulse-excitation applied to the light-melt adhesive based on a flapping triphenylene liquid crystal (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Saida, T. Konishi, R. Sato, Y. Nakaike, W. Yajima, R. Shikata, M. Hara, S. Saito, M. Hada
  • 学会等名: OLC2021
  • 国際学会
• [学会発表] Ultrafast collective motions of liquid-crystalline azobenzene molecules observed by ultrafast time-resolved electron diffraction (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Hada, D. Yamaguchi, T. Kato
  • 学会等名: OLC2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ultrafast collective motions induced by the photoisomerization of liquid crystalline azobenzene molecules (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Hada, D. Yamguchi, T. Ishikawa, T. Sawa, K. Tsuruta, K. Ishikawa, S. Koshihara, Y. Hayashi, T. Kato
  • 学会等名: Pacifichem 2021
  • 国際学会
• [学会発表] 超高速時間分解電子線回折法を用いた酸化グラフェンの光還元メカニズムの解明 (2021)
  • 著者名/発表者名: 羽田真毅
  • 学会等名: 日本化学会第101春季年会
  • 招待講演
• [学会発表] Correlation between the thermal and mechanical properties of the high temperature thermal- treated carbon nanotube yarns (2021)
  • 著者名/発表者名: Ryo Shikata, Yuho Shigeeda, Hirotaka Inoue, Hiroo Suzuki, Wataru Yajima, Tomohiro Nakagawa, Takeshi Nishikawa, Yoshifumi Yamashita, Yasuhiko Hayashi, Masaki Hada
  • 学会等名: FNTG60
• [学会発表] 超高速時間分解電子線回折法ーイオン移動と強くカップルした光誘起電荷移動 (2021)
  • 著者名/発表者名: 羽田真毅
  • 学会等名: 超高分解能顕微鏡法分科会究会
  • 招待講演
• [学会発表] Ultrafast time-resolved electron diffraction captures dynamics of carbon nanostructure (2021)
  • 著者名/発表者名: Masaki Hada
  • 学会等名: CEMS Topical Meeting Online
  • 招待講演
• [学会発表] 時間分解電子回折で見た遷移金属化合物結晶薄膜の光誘起構造ダイナミクス (2020)
  • 著者名/発表者名: 羽田 真毅、石川 忠彦、大村 訓史、慶尾 直哉、田久保 耕、鈴木 達也、浅香 透、林 靖彦、阿部 伸行、有馬 孝尚、腰原 伸也、沖本 洋一
  • 学会等名: 第81回 応用物理学会 秋季学術講演会
  • 招待講演
• [備考] 筑波大学数理物質系 羽田研究室
  • URL: https://hadamasaki.com
• [備考] 筑波大学数理物質系 羽田研究室
  • URL: https://hadamaskai.com