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2020 年度 実施状況報告書

時空間パターン形成化学とキラル分子化学の国際連携・融合研究

研究課題

研究課題/領域番号 20KK0122
研究機関京都大学

研究代表者

深見 一弘  京都大学, 工学研究科, 准教授 (60452322)

研究分担者 岡崎 豊  京都大学, エネルギー科学研究科, 助教 (20794465)
松本 歩  兵庫県立大学, 工学研究科, 助教 (30781322)
研究期間 (年度) 2020-10-27 – 2024-03-31
キーワードキラリティ / 自己組織化 / 時空間パターン
研究実績の概要

本研究では電気化学反応における動的自己組織化のひとつである時空間パターン形成に立脚したらせん状ナノ構造形成と、その応用に取り組んでいる。特に、Ptナノ粒子を担持したシリコン基板をフッ酸と過酸化水素を含むエッチング液に浸漬すると、Ptナノ粒子がシリコンへと貫入し、らせん状ナノポアが自己組織化する。この現象がPtナノ粒子上での過酸化水素還元における時空間パターン形成に起因することは既に明らかにしているが、らせん状ナノポアのらせんピッチ、太さ、長さ、巻き方向を制御する方法は未開拓である。本年度は、これらの課題の中から巻き方向を制御する方法論の開拓を目指し、検討を進めた。有限要素法を用い、電極反応速度、拡散、泳動、電気化学等価回路を考慮した数値シミュレーションにより、Pt上での過酸化水素還元にともなう時空間パターン形成を再現することに成功した。これに加えて、Pt近傍に対流が生じている場合の時空間パターン形成についても検討を進めたところ、極めて強い対流下では対流と逆方向に時空間パターンが回転すること、極めて弱い対流下では対流と同じ方向に時空間パターンが回転することを見出した。Ptナノ粒子を用いたシリコンのエッチングでは強い対流の発生は期待できない。Ptナノ粒子近傍では局所的に弱い対流が発生していることが考えられることから、数値シミュレーションにより明らかとなった弱い対流下での対流と同方向の時空間パターンの回転がらせん状ナノポアの巻き方向を決定していると示唆される結果を得た。

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

本研究で対象としているシリコンへのらせん状ナノポア形成は、左右の巻き方向が概ね当量得られることが知られていた。これにキラリティを持たせるためには、エッチング時に弱い対流を発生させることが必要であるとのシミュレーション結果が得られており、当初想定していた以上の進捗があった。一方、実際に実験により巻き方向に偏りのあるらせん状ナノポアを形成する検討は、現在検討を進めているところである。以上のことから、プロジェクト全体としては概ね順調に進展しているといえる。

今後の研究の推進方策

シリコンに形成されるらせん状ナノポアの巻き方向制御を実験により検証する。特に弱い対流下で偏りが期待できることから、人為的な対流の導入や磁場印加下でのMHD(magnetohydrodynamics)対流の導入について検討を進める。また、巻き方向に偏りが発生したシリコンらせん状ナノポアの表面結合状態の分析を進める。この分析はボルドー大学にて振動円二色性分光によって実施する。表面にはSi-HやSi-O-Siなどの結合が存在することが既に明らかとなっており、これらの結合が円二色性を有するか否かを明らかにする。

次年度使用額が生じた理由

新型コロナウイルス感染症の影響により、当初予定していたフランスでの現地滞在による研究実施が行えなかったため、旅費は使用しなかった。その他として予定していた電子顕微鏡の利用料等は今期は必要としなかったため、残額が生じた。

  • 研究成果

    (6件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (3件) (うち国際学会 1件、 招待講演 1件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] University of Bordeaux(フランス)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      University of Bordeaux
  • [雑誌論文] Unexpected downstream mode of spatiotemporal rotating waves found in the model of H2O2 reduction on a platinum ring-shaped electrode under mild convection2021

    • 著者名/発表者名
      Takumi Yasuda, Masahiro Nakata, Masayuki Miyamoto, Atsushi Kitada, Kuniaki Murase, Kazuhiro Fukami
    • 雑誌名

      J. Phys. Chem. C

      巻: 125 ページ: 7240-7250

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.1c01013

    • 査読あり
  • [学会発表] Self-organized production of helical nanostructures in electrochemical reactions achieved by nanoconfinement of spatiotemporal patterns2021

    • 著者名/発表者名
      Kazuhiro Fukami
    • 学会等名
      86th SCEJ International Symposium, The Leading Edge Technology of Material Structure Control for Functional Expression
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Pt触媒Siエッチングにおける時空間パターン形成がもたらすヘリカルポアの自己組織化2021

    • 著者名/発表者名
      安田拓海,前田有輝,松崎健太,岡崎 豊,小田玲子,北田 敦,邑瀬邦明,深見一弘
    • 学会等名
      電気化学会第88回大会
  • [学会発表] 電析時空間パターンのナノ空間閉じ込めによる金属ナノヘリックスの自己組織化2020

    • 著者名/発表者名
      中田昌宏,安田拓海,前田有輝,北田 敦,邑瀬邦明,深見一弘
    • 学会等名
      2020年度第3回関西電気化学研究会
  • [備考] 京都大学 大学院工学研究科 材料工学専攻 材質制御学分野 website

    • URL

      http://www.echem.mtl.kyoto-u.ac.jp/index_fukami.html

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公開日: 2021-12-27  

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