トポロジカル結合からなる多孔性結晶と力学機能

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H02705
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 佐藤 弘志 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, ユニットリーダー (20598586)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 多孔性材料 / 結晶 / トポロジカル結合 / カテナン / 力学特性

研究実績の概要

前年度は、カテナン構造を有する複数種類の有機配位子の合成ならびにそれら配位子と金属イオンを用いた金属ー有機構造体の合成に取り組み、結晶試料作成に成功した。基本的な結晶構造解析や細孔機能についての評価を行ったのち、ほとんどがカテナンからなる多孔性結晶の特異性を明らかにする目的で種々の実験に取り組んだ。下記にその具体的な結果を記す。
（１）多孔性結晶の機械的特性評価：単結晶試料に適用可能な力学特性評価法としてナノインデンテーション法を採用した。基板表面に固定した結晶試料を、多孔性結晶にゲストとして取り込まれる溶媒中に沈めた状態でヤング率を評価したところ、類似の化合物群として破格に小さな値が得られた（約1.8 GPa)。さらに特筆すべき点は、除荷後に試料表面の観察を行ったところ、通常のインデンテーション測定で観測される圧痕がまったく見られなかった点である。これは機械的な圧力に対してこのカテナンからなる多孔性結晶が可逆的な構造変化を示すことを反映している。一方、細孔からゲスト分子が失われた状態の多孔性結晶を空気中で評価すると、大きなヤング率が観測された（約6 GPa）。多孔性結晶が環境に応じて機械的特性を変える大変興味深い現象である。
（２）高圧下での多孔性結晶の振る舞い：カテナンからなる多孔性結晶が静水圧に対してどのような振る舞いを示すか、ダイヤモンドアンビルセルを用いて検討した。ダイヤモンドアンビルセル中に、DMFとともに封入した多孔性結晶に対して圧力を加えながら、結晶回折実験を行った。得られた回折データから高圧下での結晶構造解析を行うことに成功した。たとえば約0.5 GPaの圧力下での結晶構造を常圧下での結晶構造と比較したところ、カテナンにおけるマクロサイクルの相対位置が確かに変化していることが明らかになった。

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

トポロジカル結合の3次元配列によって形成した多孔性結晶の興味深い力学機能を明らかにできたため。

今後の研究の推進方策

合成に成功した多孔性結晶の機械特性を引き続き調査するとともに、構造の異なるトポロジカル結合を用いた材料合成ならびに機械特性評価を行う。これらの実験を通じて、革新的多孔性結晶の創製・学理の構築を目指す。

研究成果

• [雑誌論文] Tuning the donor-acceptor interactions in phase-segregated block molecules (2021)
  • 著者名/発表者名: Brigitte A. G. Lamers, Martin H. C. van Son, Freek V. de Graaf, Bart W. L. van den Bersselaar, Bas F. M. de Waal, Kazuki Komatsu, Hiroshi Sato, Takuzo Aida, Jose Augusto Berrocal, Anja R. A. Palmans, Ghislaine Vantomme, Stefan C. J. Meskersg, E. W. Meijer
  • 雑誌名: MATERIALS HORIZONS 巻: 9 ページ: 294-302
  • DOI: 10.1039/d1mh01141c
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] An elastic metal-organic crystal with a densely catenated backbone (2021)
  • 著者名/発表者名: Wenjing Meng, Shun Kondo, Takuji Ito, Kazuki Komatsu, Jenny Pirillo, Yuh Hijikata, Yuichi Ikuhara, Takuzo Aida1, Hiroshi Sato
  • 雑誌名: NATURE 巻: 598 ページ: 298-303
  • DOI: 10.1038/s41586-021-03880-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Accumulated Lattice Strain as an Internal Trigger for Spontaneous Pathway Selection (2021)
  • 著者名/発表者名: Hubiao Huang, Hiroshi Sato, Jenny Pirillo, Yuh Hijikata, Yong Sheng Zhao, Stephen Z. D. Cheng, Takuzo Aida
  • 雑誌名: JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY 巻: 143 ページ: 15319-15325
  • DOI: 10.1021/jacs.1c06854
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Stimuli-Responsive Porous Crystals (2022)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Sato
  • 学会等名: The 102nd CSJ Annual Meeting
  • 招待講演
• [学会発表] Helical Inversion Dynamics in a Metal-Peptide Framework (2022)
  • 著者名/発表者名: Wei Yuan, Hiroshi Sato, Takuzo Aida
  • 学会等名: The 102nd CSJ Annual Meeting
• [学会発表] Topological defect-mediated crystal transition in MOF synthesis (2021)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Sato
  • 学会等名: Pacifichem 2021: The 2021 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 特異吸着機能を示す刺激応答性多孔体の創製 (2021)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 弘志
  • 学会等名: 第34回日本吸着学会研究発表会
  • 招待講演
• [学会発表] Controlled Uptake and Release of Guest Molecules Using a Photoresponsive MOF (2021)
  • 著者名/発表者名: Mika Kawagoe, Hiroshi Sato, Takuzo Aida
  • 学会等名: The 71st JSCC Conference（(錯体化学会第71回討論会）
• [学会発表] Near IR Responsive Porous Crystals Based on Fused Porphyrins (2021)
  • 著者名/発表者名: Shun Suginome, Hiroshi Sato, Takuzo Aida
  • 学会等名: The 71st JSCC Conference（(錯体化学会第71回討論会）
• [学会発表] An Elastic Porous Crystal Composed of a [2]Catenane (2021)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Sato, Wenjing Meng, Takuzo Aida
  • 学会等名: The 71st JSCC Conference（(錯体化学会第71回討論会）
  • 招待講演