| 研究課題/領域番号 |
21H05024
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
福島 孝典 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (70281970)
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| 研究分担者 |
庄子 良晃 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (40525573)
梶谷 孝 東京工業大学, オープンファシリティセンター, 特任専門員 (20469927)
福井 智也 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 助教 (40808838)
竹原 陵介 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 助教 (00869779)
渡辺 豪 北里大学, 理学部, 准教授 (80547076)
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| 研究期間 (年度) |
2021-07-05 – 2026-03-31
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| キーワード | ソフトマテリアル / 二次元分子集合化 / トリプチセン / 有機溶媒 / 自己組織化単分子膜 |
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| 研究実績の概要 |
初年度である令和３年度は、2次元入れ子状ハニカム構造への集合化を強力に誘起する三脚型トリプチセンを基本ユニットとし、π電子系分子、高分子、金属イオンなどを組み込むことで、多様な機能を付与した2次元分子集合体の創製に取り組んだ。また、自発的な2次元構造形成を可能にする分子ライブラリの拡充を図った。具体的成果を以下に記載する。
(1) 三脚型トリプチセンとπ電子系分子との複合化：優れた光電子特性を示すアセン類（アントラセンおよびペンタセン）に２つの三脚型トリプチセンユニットを導入したサンドイッチ型二量体を合成し、その自己集合により、アセン類単独では形成しない２次元集合体を構築することに成功した。(2) 三脚型トリプチセンと高分子との複合化：汎用高分子の側鎖への導入による機械的特性の劇的向上、液体ポリマーの両末端への導入による熱可塑性プラスチック化、下限臨界溶液温度特性を示す高分子との複合化による集合構造制御などを達成した。また、反応性官能基を面選択的に導入した三脚型トリプチセン誘導体を用い、高秩序な固相重合膜を合成することに成功した。(3) 三脚型トリプチセンを剛直な多座配位子として用い、巨大な亜鉛酸化物およびマンガン酸化物クラスターのサイズ・形状選択的合成を達成した。(4) 様々な固体基板表面で自己組織化単分子膜を形成可能な新規三脚型トリプチセン誘導体を開発した。(5) 分子ライブラリの拡充：高電子受容性プロペラ分子、スピンを有するプロペラ型遷移金属錯体、双極性回転子を導入したヘキサアリールベンゼン誘導体などを新たに開発した。
上記成果に加え、２次元分子集合体の表面特性を評価するための新たな計測技術の開発に成功するとももに、２次元分子集合体を与えるビルディングブロックの設計指針の確立へ向けた分子動力学シミュレーションに着手するなど、多角的かつ多面的に研究を推進した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
三脚型トリプチセンに基づく２次元集合体の開発と機能探求に関する研究が当初の計画どおりに進行していることに加え、新たなビルディングブロックの開発が順調に進行し、高電子受容性プロペラ分子、プロペラ型遷移金属錯体、ヘキサアリールベンゼン誘導体など、２次元集合化能力を有する分子のライブラリを大きく拡大することができた。また、本研究経費により、集合体で生じる分極構造評価のための Piezoresponse Force Microscopy システム、精密構造解析に有用な粉末X線散乱の低角／広角同時計測システム、物性評価のための引っ張り試験機、蛍光寿命測定装置、クライオスタットなど、研究に必要な装置の導入が完了した。さらに、固体表面の熱伝導特性を評価できる全く新しい顕微鏡技術の開発に成功した。よって、物質系および計測系の両面から、２次元ソフトマテリアルの化学を推進するための強力な基盤を固めることができた。加えて、当初の計画にはなかった、分子動力学法計算を専門とする新たな研究分担者を加え、分子集合化のシミュレーションを通じて、これまで経験に頼らざるを得なかった２次元集合化ユニットの合理的な設計指針を確立するための検討に着手している。以上の理由から、研究の進展状況は極めて順調であり、「(1) 当初の計画以上に進展している」と判断できる。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和３年度に得られた成果に基づき、以下の研究項目を実施する。
(1) 分子性結晶における２次元集合体の機能開拓：三脚型トリプチセン誘導体やプロペラ型金属錯体が形成する「２次元+１次元」構造を特徴とする分子性結晶を対象に、構造の２次元性に基づく電子状態を明らかにするとともに、分子間水素結合、電荷移動相互作用や電子スピンに基づく機能を評価する。動的ユニットや刺激応答性ユニットの２次元配列化による、集団運動性や巨視的運動性の検討にも取り組む。２次元面内で強固な分子間相互作用を示す系については、結晶からの剥離による自立単分子膜の形成や異種２次元材料との複合化についても検討する。
(2) ２次元集合性ポリマーの機能開拓：アモルファスポリマーへのトリプチセンユニット導入による高次構造形成と機械特性向上についての検討を引き続き実施する。また新たなターゲットとして、側鎖に三脚型トリプチセンを導入したπ共役ポリマーを創製する。このポリマーでは 、三脚型トリプチセン部位の集合化により、凝集状態において主鎖まわりに大きな自由体積を付与できる可能性がある。これを利用し、ゲストの導入や化学ドーピングについて検討する。
(3) 自己組織化単分子膜(SAM)の機能開拓：三脚型トリプチセンに基づく高秩序SAM形成技術を用いて多様な機能団を２次元集積化し、表面機能を探求する。今年度は新たに、双極性回転子を２次元集積化させたSAMを構築し、回転挙動の評価や２次元面内でのダイポールのパターン 形成の可能性を探る。
(4) 異種２次元物質とのハイブリッド形成：本研究で開発した有機２次元集合体と、グラフェンや遷移金属ジカルコゲニドなどの無機２次元 物質を積層化する手法を開発し、異種２次元接合物質系が織りなす機能を探求する。
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