| 研究課題/領域番号 |
20H00401
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| 研究機関 | 大阪府立大学 |
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研究代表者 |
高橋 雅英 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20288559)
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| 研究分担者 |
鈴木 一正 滋賀県立大学, 工学部, 講師 (20805618)
岡田 健司 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30750301)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | 金属有機構造体 / 配向薄膜 / エピタキシャル / 電気伝導 / 光機能性 |
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| 研究実績の概要 |
(1) 配向性MOF-on-MOF薄膜中のMOF界面のエピタキシャル成長機構を格子整合性の観点から精密に解明することで、優れたMOF-on-MOF薄膜の実現に向けた材料設計指針を示した。配向性MOF-on-MOF薄膜の高い機能性は、上層へ形成したMOF結晶が下層MOF薄膜の結晶性や配向性を高いレベルで保持する事で実現する。そこで、3種類のCu-paddle-wheel系のMOFを用いて計6種類の配向性MOF-on-MOF薄膜を作製し、XRD測定によってそれぞれの結晶子サイズ・面内配向度の変化を比較した。結果、上層のMOF結晶の配向度は、相対的な上下MOF結晶間の格子定数の大小関係に影響されることを見いだした。これらの知見が多層系でも有用である事を、3層のMOF-on-MOF薄膜を比較する事で実証した。
(2) pillar-layered構造をとる配向MOF薄膜の1次元細孔構造 (1D nanochannel) に着目し、合成条件によって細孔の配列方向を基板上全面で制御できることを見出した。方位規定材料であるCu(OH)2 nanobeltsの溶出速度を液性によって制御する事で、配向MOF薄膜の配向方位の制御を実現した。酸性条件下では配向MOF薄膜の1D nanochannelが基板に対して垂直な方向へ、対して塩基性条件下では基板に対して平行な方向へ配列する事を突き止め、約0.6から10nmの細孔径を示す他のMOF系でも同様の制御が可能であることを実証した。配向MOF薄膜内へ光応答性分子を導入する事で、1D nanochannel内部を利用して分子が配列する事や、その光機能性が細孔内でも損なわれない事を確認した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
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
基板上全面で配向したCu(OH)2 nanobelts上で成長した骨格構造化合物に関して、MOF-on-MOF系や3D-MOF系、COF系へと合成系を拡張し、その反応条件や合成プロセスを詳細に検討する事で配向方向に依存した新規機能性の創出や次世代MOF/COF薄膜材料の設計指針を示した。これらは、単なる多孔質材料の枠組みを超越したMOF/COF結晶の利用を実現する成果であり、有機光学・電子デバイスの機能が分子レベルで増幅される可能性を示している。更に、近年単分子のみで機能発現する「単分子デバイス」が多く報告されている。そのような中で、本研究の成果を生かした配向性MOF/COF薄膜材料はあらゆる単分子デバイスを包摂し、鋳型として方位規定するプラットフォームとして利用でき、基板上で極限にまで集積化・多機能化されたデバイスの実現が予想される。次世代集積回路に代表される半導体チップ、高性能光学センサーまで広く活用できる可能性があり、今後の研究発展により期待される成果は社会に大きな利益をもたらす社会的・工業的に重要な基幹材料となると期待している。これらのことから、研究は概ね順調に進展していると結論づけた。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和3年度の成果と併せて令和4年度より、次の研究を進める。
高度に配向したMOF多結晶薄膜を用いたソフタアクチュエータへの展開を新たに図る。結晶レベルでの外場応答性（光、熱、溶媒等）を配向膜を用いてマクロスケールで取り出すことで、複雑な変形にも応用可能なアクチュエータを実現する。この研究項目の第一段階としては、高度に配向した応答性MOFの多結晶膜を実現する。基板としてシリコーンやプラスチックを用いることで、結晶レベルでのMOFの変形をマクロな変形へと展開する。異方性結晶を用いることで方位に依存した結晶レベルでの応答性が実現できる。本研究では、提案者独自のエピタキシャル成長法を用いることで、原子レベルでの変異をマクロな変形へスケールアップする。その際に、配向膜の利点を活かすことで、結晶方位に依存したマクロ変形が実現できる。令和4年度の研究項目としては、一軸変形を示すMOF（例えば、MIL53(Al) 等）を配向成膜するための基盤となる科学を確立する。具体的には、ガンマAlOOHナノロッドを基板として用いてMIL53をエピタキシャル成長する。提案者が独自に開拓しているナノロッド配向膜の作成技術を用いて、ナノロッドを配向することで、大面積の配向MOF多結晶膜を実現する。ユニークなデモンストレーションとして、左・右巻きを制御した巻き上げ挙動の実現を目指す。応答性としては、溶媒応答性が基本となるが、実用性の高い遠隔操作の可能性を追求する。リンカーとして光応答性を示すアゾ色素などの誘導体を用いたい。独自の化学合成が必要となるために、研究分担者として有機合成に長けた深津助教を新たに加える。
テーラーメードの配位子を用いた配向MOF多結晶膜を用いた自由度の高い変形挙動を示す応答性MOF薄膜の実現によるソフトアクチュエータを開拓する。
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