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ルテニウム錯体を用いたシャープな電位応答と分子情報-電気信号変換技術

公募研究

研究領域分子サイバネティクス ー化学の力によるミニマル人工脳の構築
研究課題/領域番号 21H05870
研究種目

学術変革領域研究(A)

配分区分補助金
審査区分 学術変革領域研究区分(Ⅳ)
研究機関東京大学

研究代表者

山田 鉄兵  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (10404071)

研究期間 (年度) 2021-09-10 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2022年度)
配分額 *注記
10,400千円 (直接経費: 8,000千円、間接経費: 2,400千円)
2022年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)
2021年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)
キーワード電気化学 / ナフタレンジイミド / ルテニウム錯体 / スパイク電流応答 / クラウンエーテル / ビオロゲン / 分子組織化学
研究開始時の研究の概要

電気化学反応は、化学反応を電気信号へと直接変換を直接行う重要な化学プロセスである。電気化学反応を利用して分子などをセンシングすることができれば、小型・高速なデバイスを作ることができると考えられる。これまでにレドックス応答と分子・超分子化学との相互変換の例は多数報告されている。しかし、酸化還元反応は100 mV程度の幅を持つ(Nernst式による)ため、信号変換の観点からは電気化学反応は課題があった。本研究では分子間相互作用を駆使することでこの電気化学応答をシャープにし、新たな電気信号・化学変換テクノロジーの基盤を構築することを目指す。

研究実績の概要

前年度はビオローゲンユニットにホストとして機能するクラウンエーテル基を導入したが、酸化還元反応に伴ってメチレン部位が脱離することが明らかになった。そこで本年度はナフタレンジイミドにアルキル鎖を修飾した分子を新たに設計し、シャープな電位応答の発現を目指した。シャープな電位応答を生じるためには、(1)酸化還元活性があることに加えて(2)π共役平面の平面性が良いことにより、酸化還元活性部位間の相互作用が生じうること、(3)基板上に配列させるためのアルキル鎖などの側鎖が導入可能であること、が求められる。そこでπ共役平面の平面性がよいナフタレンジイミドを用い、イミド部位にアルキル鎖を導入した分子を設計した。
ビオロゲンの場合と異なり、ナフタレンジイミドは自然電位で中性のため、水への溶解度が低い。そこで、アルキル鎖の片側にカルボン酸残基を導入し、適度な水溶性を持たせた。この分子をアセトニトリルに溶解してCV測定を行ったところ、2段の可逆な1電子還元反応が観測された。この分子を水に飽和させ、ハンギングメニスカス配置にしたHOPGを作用極としてサイクリックボルタンメトリー測定を行ったところ、1電子還元波が観測され、そのピークの半値幅が約72mVであった。これは、基板に吸着した分子の1電子酸化還元波の理論的な半値幅(約95mV)より小さい。この結果はナフタレンジイミドが基板上に並んで分子間の相互作用が生じ、1電子還元体同士の相互作用が生じたためと推測される。

現在までの達成度 (段落)

令和4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4年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (13件)

すべて 2023 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (12件) (うち国際共著 2件、 査読あり 11件、 オープンアクセス 5件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Quantification of Polysulfide Species in Aqueous Sulfur Thermocell2023

    • 著者名/発表者名
      Wataru Takahagi, Norio Kitadai, Satoshi Okada, Hongyao Zhou, Ken Takai, Teppei Yamada
    • 雑誌名

      Chemistry Letters

      巻: 52 号: 3 ページ: 197-201

    • DOI

      10.1246/cl.220486

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Advancement of Electrochemical Thermoelectric Conversion with Molecular Technology2022

    • 著者名/発表者名
      Zhou Hongyao、Inoue Hirotaka、Ujita Mizuha、Yamada Teppei
    • 雑誌名

      Angewandte Chemie International Edition

      巻: 62 号: 2

    • DOI

      10.1002/anie.202213449

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] A Series of D?A?D Structured Disilane-Bridged Triads: Structure and Stimuli-Responsive Luminescence Studies2022

    • 著者名/発表者名
      Miyabe Hiroto、Ujita Mizuha、Nishio Masaki、Nakae Toyotaka、Usuki Tsukasa、Ikeya Minako、Nishimoto Chika、Ito Suguru、Hattori Mineyuki、Takeya Satoshi、Hayashi Shigenobu、Saito Daisuke、Kato Masako、Nishihara Hiroshi、Yamada Teppei、Yamanoi Yoshinori
    • 雑誌名

      The Journal of Organic Chemistry

      巻: 87 号: 14 ページ: 8928-8938

    • DOI

      10.1021/acs.joc.2c00641

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] Ion-selective adsorption of lead by a two-dimensional terbium oxalate framework2022

    • 著者名/発表者名
      T. Nankawa, Y. Sekine, T. Yamada
    • 雑誌名

      Bull. Chem. Soc. Jpn.

      巻: - 号: 5 ページ: 825-829

    • DOI

      10.1246/bcsj.20220055

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Quasielastic neutron scattering study on proton dynamics assisted by water and ammonia molecules confined in MIL-532021

    • 著者名/発表者名
      Miyatsu Satoshi、Kofu Maiko、Shigematsu Akihito、Yamada Teppei、Kitagawa Hiroshi、Lohstroh Wiebke、Simeoni Giovanna、Tyagi Madhusudan、Yamamuro Osamu
    • 雑誌名

      Structural Dynamics

      巻: 8 号: 5 ページ: 054501-054501

    • DOI

      10.1063/4.0000122

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Luminescent Behavior Elucidation of a Disilane‐Bridged D?A?D Triad Composed of Phenothiazine and Thienopyrazine2021

    • 著者名/発表者名
      Nakae Toyotaka、Nishio Masaki、Usuki Tsukasa、Ikeya Minako、Nishimoto Chika、Ito Suguru、Nishihara Hiroshi、Hattori Mineyuki、Hayashi Shigenobu、Yamada Teppei、Yamanoi Yoshinori
    • 雑誌名

      Angewandte Chemie International Edition

      巻: 60 号: 42 ページ: 22871-22878

    • DOI

      10.1002/anie.202108089

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Supramolecular Thermocells based on Thermo-Responsiveness of Host?Guest Chemistry2021

    • 著者名/発表者名
      Zhou Hongyao、Yamada Teppei、Kimizuka Nobuo
    • 雑誌名

      Bulletin of the Chemical Society of Japan

      巻: 94 号: 5 ページ: 1525-1546

    • DOI

      10.1246/bcsj.20210061

    • NAID

      130008053854

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] High seebeck coefficient in middle-temperature thermocell with deep eutectic solvent2021

    • 著者名/発表者名
      Antariksa Naura Fakhira、Yamada Teppei、Kimizuka Nobuo
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 11 号: 1 ページ: 11929-11929

    • DOI

      10.1038/s41598-021-91419-5

    • 関連する報告書
      2021 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] Inversely polarized thermo-electrochemical power generation via the reaction of an organic redox couple on a TiO2/Ti mesh electrode2021

    • 著者名/発表者名
      Eguchi Hiroto、Kobayashi Takashi、Yamada Teppei、Rocabado David S. Rivera、Ishimoto Takayoshi、Yamauchi Miho
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 11 号: 1 ページ: 13929-13929

    • DOI

      10.1038/s41598-021-93269-7

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] High Positive Seebeck Coefficient of Aqueous I<sup>?</sup>/I<sub>3</sub><sup>?</sup> Thermocells Based on Host?Guest Interactions and LCST Behavior of PEGylated α-Cyclodextrin2021

    • 著者名/発表者名
      Liang Yimin、Ka-Ho Hui Joseph、Morikawa Masa-aki、Inoue Hirotaka、Yamada Teppei、Kimizuka Nobuo
    • 雑誌名

      ACS Applied Energy Materials

      巻: 4 号: 5 ページ: 5326-5331

    • DOI

      10.1021/acsaem.1c00844

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Carbonated nanohydroxyapatite from bone waste and its potential as a super adsorbent for removal of toxic ions2021

    • 著者名/発表者名
      Yurina Sekine, Takuya Nankawa, Teppei Yamada, Daiju Matsumura, Yoshihiro Nemoto, Masaki Takeguchi, Tsuyoshi Sugita, Iwao Shimoyama, Naofumi Kozai, Satoshi Morooka
    • 雑誌名

      Journal of Environmental Chemical Engineering

      巻: 2 号: 2 ページ: 105114-105114

    • DOI

      10.1016/j.jece.2021.105114

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Light‐Triggered, Non‐Centrosymmetric Self‐Assembly of Aqueous Arylazopyrazoles at the Air?Water Interface and Switching of Second‐Harmonic Generation2021

    • 著者名/発表者名
      Nagai Yuki、Ishiba Keita、Yamamoto Ryosuke、Yamada Teppei、Morikawa Masa‐aki、Kimizuka Nobuo
    • 雑誌名

      Angewandte Chemie International Edition

      巻: 60 号: 12 ページ: 6333-6338

    • DOI

      10.1002/anie.202013650

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [備考] 研究室ウェブページ

    • URL

      https://inorg.chem.s.u-tokyo.ac.jp/

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書

URL: 

公開日: 2021-10-22   更新日: 2024-12-25  

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