高堅牢性分子指紋ナノワイヤの創成及び革新的分子識別法の開発

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H01831
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 長島 一樹 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (10585988)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 酸化物ナノワイヤ / 分子識別 / 分子認識界面

研究実績の概要

本研究では、熱・化学的に安定な多点分子認識空間（＝分子指紋）をもつ分子指紋ナノワイヤを独自技術により創成し、分子指紋の構造・化学特性に基づく分子吸着識別機能、及び分子指紋と標的分子の化学的結合力に基づく分子脱離識別機能の機能融合により混合分子系において標的分子を検出・識別する新規分子識別法を提案・実証することを目的としている。当該年度の研究実績を以下に示す。
①分子指紋ナノワイヤにおける分子認識機能設計と材料展開：提案する分子輸送制御技術では、分子の吸脱着のみならず、固体表面上での化学反応制御が重要となる。ZnO/CuOコアシェル構造を用いて表面カチオン組成を変調し、アルデヒドの吸着・反応挙動を検証した結果、Cu2+サイトではその平面四配位構造により分子配位が困難となることを見出すと共に、分子吸着能を保持したまま二量化反応を抑制する表面設計が可能であることを見出した。分子指紋の材料展開としてゾルゲル反応を介して形成したZrO2表面やSiO2表面において分子吸着特性を検証した結果、それぞれ固有の吸着分子選択性を有することが明らかとなった。
②分子指紋形成メカニズム：X線吸収微細構造(XAFS)を用いて分子指紋形成プロセスの追跡を行った結果、材料結晶化-分子認識機能間に強い相関性があることを見出すと共に、分子認識機能を決定する結晶化温度は化学ドーピング量により決定されることを明らかにした。
③ナノワイヤ・センサ統合デバイスの機能検証・限界探索：前年度までに原理検証を行った分子指紋ナノワイヤ・センサ統合デバイスにより分子濃縮機能・識別能を詳細に検討した結果、本デバイスによる濃縮効果により1ppb以下のアルデヒド分子検出が可能となることを実証すると共に、分子指紋を介した吸着・脱離時の分子識別機能を用いて同種官能基を有する分子群中から標的分子を選択的に電流検出することに成功した。

現在までの達成度 (段落)

令和2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2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] The impact of surface Cu2+ of ZnO/(Cu1-xZnx)O heterostructured nanowires on the adsorption and chemical transformation of carbonyl compounds (2021)
  • 著者名/発表者名: J. Liu, K. Nagashima, Y. Nagamatsu, T. Hosomi, H. Saito, C. Wang, W. Mizukami, G. Zhang, B. Samransuksamer, T. Takahashi, M. Kanai, T. Yasui, Y. Baba and T. Yanagida
  • 雑誌名: Chemical Science 巻: 12 ページ: 5073-5081
  • DOI: 10.1039/d1sc00729g
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Rational Strategy for Space-Confined Seeded Growth of ZnO Nanowires in Meter-Long Microtubes (2021)
  • 著者名/発表者名: R. Kamei, T. Hosomi, E. Kanao, M. Kanai, K. Nagashima, T. Takahashi, G. Zhang, T. Yasui, J. Terao, K. Otsuka, Y. Baba, T. Kubo and T. Yanagida
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 13 ページ: 16812-16819
  • DOI: 10.1021/acsami.0c22709
  • 査読あり
• [雑誌論文] Metal-Oxide Nanowires Molecular Sensors and Their Promises (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Zeng, G. Zhang, K. Nagashima, T. Takahashi, T. Hosomi and T. Yanagida
  • 雑誌名: Chemosensors 巻: 9 ページ: 41
  • DOI: 10.3390/chemosensors9020041
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Unusual Sequential Annealing Effect in Achieving High Thermal Stability of Conductive Al-Doped ZnO Nanofilms (2020)
  • 著者名/発表者名: R. Yan, T. Takahashi, M. Kanai, T. Hosomi, G. Zhang, K. Nagashima and T. Yanagida
  • 雑誌名: ACS Applied Electronic Materials 巻: 2 ページ: 2064-2070
  • DOI: 10.1021/acsaelm.0c00321
  • 査読あり
• [雑誌論文] Facile Synthesis of Zinc Titanate Nanotubes via Reaction-byproduct Etching (2020)
  • 著者名/発表者名: J. Liu, K. Nagashima, H. Yoshida, T. Hosomi, T. Takahashi, G. Zhang, M. Kanai, Y. He and T. Yanagida
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 49 ページ: 1220-1223
  • DOI: 10.1246/cl.200480
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Face-selective tungstate ions drive zinc oxide nanowire growth direction and dopant incorporation (2020)
  • 著者名/発表者名: J. Liu, K. Nagashima, H. Yamashita, W. Mizukami, J. Uzuhashi, T. Hosomi, M. Kanai, X. Zhao, Y. Miura, G. Zhang, T. Takahashi, M. Suzuki, D. Sakai, B. Samransuksamer, Y. He, T. Ohkubo, T. Yasui, Y. Aoki, J. C. Ho, Y. Baba and T. Yanagida
  • 雑誌名: Communications Materials 巻: 1 ページ: 58
  • DOI: 10.1038/s43246-020-00063-5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Phosphonic Acid Modified ZnO Nanowire Sensors: Directing Reaction Pathway of Volatile Carbonyl Compounds (2020)
  • 著者名/発表者名: C. Wang, T. Hosomi, K. Nagashima, T. Takahashi, G. Zhang, M. Kanai, H. Yoshida and T. Yanagida
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 12 ページ: 44265-44272
  • DOI: 10.1021/acsami.0c10332
  • 査読あり
• [雑誌論文] Face-Selecive Crystal Growth of Hydrothermal Tungsten Oxide Nanowires for Sensing Volatile Molecules (2020)
  • 著者名/発表者名: S. Nekita, K. Nagashima, G. Zhang, Q. Wang, M. Kanai, T. Takahashi, T. Hosomi, K. Nakamura, T. Okuyama and T. Yanagida
  • 雑誌名: ACS Applied Nano Materials 巻: 3 ページ: 10252-10260
  • DOI: 10.1021/acsanm.0c02194
  • 査読あり
• [雑誌論文] Oxygen-Induced Reversible Sn-Dopant Deactivation between Indium Tin Oxide and Single-Crystalline Oxide Nanowire Leading to Interfacial Switching (2020)
  • 著者名/発表者名: H. Zeng, T. Takahashi, T. Seki, M. Kanai, G. Zhang, T. Hosomi, K. Nagashima, N. Shibata and T. Yanagida
  • 雑誌名: ACS Applied Materials & Interfaces 巻: 12 ページ: 52929-52936
  • DOI: 10.1021/acsami.0c16108
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhancement of pH Tolerance in Conductive Al-Doped ZnO Nanofilms via Sequential Annealing (2020)
  • 著者名/発表者名: R. Yan, T. Takahashi, H. Zeng, T. Hosomi, M. Kanai, G. Zhang, K. Nagashima and T. Yanagida
  • 雑誌名: ACS Applied Electronic Materials 巻: 3 ページ: 955-962
  • DOI: 10.1021/acsaelm.0c01052
  • 査読あり
• [雑誌論文] 「次世代のセンシング材料」ー堅牢な分子認識界面の創製ー (2020)
  • 著者名/発表者名: 長島 一樹, 高橋 綱己, 細見 拓郎, 柳田 剛
  • 雑誌名: 月刊MATERIAL STAGE 巻: 20 ページ: 78-83
• [雑誌論文] 分子認識エレクトロニクスへ向けたナノ界面エンジニアリング (2020)
  • 著者名/発表者名: 長島 一樹, 高橋 綱己, 細見 拓郎, 柳田 剛
  • 雑誌名: 化学工業 巻: 71 ページ: 518-524
• [学会発表] Face-selective tungstate ions drive zinc oxide nanowire growth direction and dopant incorporation (2021)
  • 著者名/発表者名: 7.Jiangyang Liu, Kazuki Nagashima, Hiroki Yamashita, Jun Uzuhashi, Takuro Hosomi, Tsunaki Takahashi, Guozhu Zhang, Tadakatsu Ohkubo, Takeshi Yanagida
  • 学会等名: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Synthesis of Monodispersedly Sized ZnO Nanowires from Randomly Sized Seeds (2021)
  • 著者名/発表者名: 8.Xixi Zhao, Kazuki Nagashima, Guozhu Zhang, Takuro Hosomi, Hideto Yoshida, Masaki Kanai, Tsunaki Takahashi, Takeshi Yanagida
  • 学会等名: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 堅牢なナノ界面と分子認識エレクトロニクス (2020)
  • 著者名/発表者名: 長島一樹, 高橋綱己, 細見拓郎, 柳田 剛
  • 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]
  • URL: https://knagashima.weebly.com/