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2021 年度 実施状況報告書

超微細ナノ空間内での固相重合による配向カーボンナノワイヤアレイの創製

研究課題

研究課題/領域番号 21K19004
研究機関京都工芸繊維大学

研究代表者

櫻井 庸明  京都工芸繊維大学, 分子化学系, 講師 (50632907)

研究期間 (年度) 2021-07-09 – 2024-03-31
キーワードナノワイヤ / 直立 / 垂直配向 / 固相重合 / 共役化合物
研究実績の概要

配向ナノワイヤは、一次元ナノ細線が同一方向に揃った構造であり、ナノスケールの一次元異方性を損なうことなくマクロスケールで発現する、巨視配向を有する鍵構造である。一軸異方的なエネルギー・電荷・熱の輸送や巨大比表面積を活かした検体センシングや表面撥水機能、静電アクチュエータへの利用等、種々の応用の観点からも魅力的である。しかし、高度に垂直配向した有機ナノワイヤを、所望のアスペクト比・数密度で形成する手法の報告は国内外含め存在せず、唯一例のある結晶成長法は、可能な有機物の種類が極めて限定的であるばかりか、その径は小さいものでも100 nmに達してしまいナノワイヤと呼ぶには大きな構造体であった。
研究代表者らは、有機低分子薄膜を出発原料とし、垂直照射された高エネルギー粒子線の粒子が薄膜を通過する際の飛跡内での固相重合により、“粒子線を構成する高エネルギー荷電粒子の1個あたり1本のナノワイヤを創る”という独創的な手法を用い、ナノワイヤ数密度を完全制御した。出発原料薄膜の厚さがナノワイヤ長に対応するため、長さも均一かつ完全制御している。重合後に、薄膜の未照射部位の低分子を“昇華”し、全てのナノワイヤを直立(垂直配向)させたまま単離する手法を確立した。この直立挙動は、未照射部位を溶媒除去するとナノワイヤが倒れてランダムに寝てしまうことと対照的であり、大きなブレイクスルーであると考えられる。
特に、同じ出発原料から作製したナノワイヤであっても、昇華により単離した垂直配向状態と溶媒処理により単離した水平ランダム配向状態とでは表面撥水性が大きく異なることを示した。すなわち、超微細垂直ナノ構造に閉じ込められた空気の疎水層が誘発する“構造撥水”表面の作製に有効であることを見出した。

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

垂直配向した有機ナノワイヤを単離する手法を確立し、原料となる有機低分子化合物として適切な化学構造についても傾向がつかめており、計画どおり順調に進んでいると考えられる。

今後の研究の推進方策

これまで作製方法を確立した垂直配向超微細有機ナノワイヤを熱処理することにより、配向カーボンナノワイヤへの変換を目指し、その異方的な電荷輸送・熱輸送・力学特性を開拓する。変換過程は、垂直配向ナノワイヤの熱処理により、末端ハロゲンを全て脱離させ、さらに嫌気下で焼成することにより末端水素をも脱離して炭素-炭素結合を最大限形成させる手法に挑戦する。AFM, SEM, TEMやFT-IR, XPS, 弾性反跳検出分析(末端水素定量), 電子線回折等によりナノワイヤの組成・構造を調べる。機能開拓では、電極上に作成した垂直カーボンナノワイヤに対し、導電性AFMや素子形成による電気伝導性の評価を、サーモリフレクタンス法による異方的熱輸送の評価を行う。ナノ構造に由来する表面撥水性および光学異方性の検証を行う

次年度使用額が生じた理由

本年度は、所有する試薬を原料に用いて実験をおこなったため、消耗品費が予定より大幅に減少した。また、外部施設を利用した実験についても、コロナ禍の影響を受け、現地に行くことがなく、試料郵送と研究協力者による実験対応が多く、旅費も執行がなかった。
次年度は、旅費については現地での実験や学会発表が増えることが想定されるため、使用が増える見込みである。また、消耗品費や設備備品費についても、実験状況の進捗に伴い、今年度より増加予定であるため、研究期間全体としては問題なく執行できる計画である。

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2022 2021

すべて 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 2件、 査読あり 6件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 3件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Organic Fluorophores That Emit Ultraviolet Light in the Aggregated States2022

    • 著者名/発表者名
      Masaki Shimizu, Tsuneaki Sakurai
    • 雑誌名

      Aggregate

      巻: 3 ページ: e144

    • DOI

      10.1002/agt2.144

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Ubiquitous organic molecule-based free-standing nanowires with ultra-high aspect ratios2021

    • 著者名/発表者名
      Koshi Kamiya, Kazuto Kayama, Masaki Nobuoka, Shugo Sakaguchi, Tsuneaki Sakurai, Minori Kawata, Yusuke Tsutsui, Masayuki Suda, Akira Idesaki, Hiroshi Koshikawa, Masaki Sugimoto, G. B. V. S. Lakshmi, D. K. Avasthi, Shu Seki
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 12 ページ: 4025

    • DOI

      10.1038/s41467-021-24335-x

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Oriented Nanowire Arrays with Phthalocyanine-C60 Multi-Heterojunctions2021

    • 著者名/発表者名
      Nobuoka Masaki, Koshi Kamiya, Shugo Sakaguchi, Tsuneaki Sakurai, Shu Seki
    • 雑誌名

      Journal of Photopolymer Science and Technology

      巻: 34 ページ: 167-174

    • DOI

      10.2494/photopolymer.34.167

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Charge Carrier Mobility of 1,6-Dibromopyrene Single Crystal Grown by Solution Method on Substrate2021

    • 著者名/発表者名
      Kojiro Naito, Yuhi Inada, Tsuneaki Sakurai, Masaki Shimizu, Takeshi Yamao
    • 雑誌名

      Journal of Electronic Materials

      巻: 51 ページ: 813-821

    • DOI

      10.1007/s11664-021-09345-1

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Remarkable Increase of Fluorescence Quantum Efficiency by Cyano Substitution on An ESIPT Molecule 2-(2-Hydroxyphenyl)benzothiazole: Highly Luminescent Liquid Crystal Dopant2021

    • 著者名/発表者名
      Tsuneaki Sakurai, Masaya Kobayashi, Hiroyuki Yoshida, Masaki Shimizu
    • 雑誌名

      Crystals

      巻: 11 ページ: 1105

    • DOI

      10.3390/cryst11091105

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Ultra-fast single-crystal polymerization of large-sized covalent organic frameworks2021

    • 著者名/発表者名
      Lan Peng, Qianying Guo, Chaoyu Song, Samrat Ghosh, Huoshu Xu, Liqian Wang, Dongdong Hu, Lei Zhao, Qiaowei Li, Tsuneaki Sakurai, Hugen Yan, Shu Seki, Yunqi Liu, Dacheng Wei
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 12 ページ: 5077

    • DOI

      10.1038/s41467-021-24842-x

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Fabrication of Organic Nanowires Developed by Radiation-Triggered Polymerization of Organic Molecules in Heavy Ion Tracks2022

    • 著者名/発表者名
      Tsuneaki Sakurai
    • 学会等名
      The Miller Online Workshop on Radiation Chemistry
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Standing Organic Nanowire Arrays Developed by Radiation-Induced Polymerization of Organic Molecules in Heavy Ion Tracks2021

    • 著者名/発表者名
      Tsuneaki Sakurai
    • 学会等名
      2nd Research Coordination Meeting on "Enhancing the Beneficial Effects of Radiation Processing in Nanotechnology"
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 単一粒子と有機分子の相互作用によるナノ構造体形成2021

    • 著者名/発表者名
      坂口 周悟, 櫻井 庸明, 出崎 亮, 越川 博, 杉本 雅樹, 八巻 徹也, 関 修平
    • 学会等名
      第 64 回放射線化学討論会
  • [学会発表] Oriented Nanowire Arrays with Phthalocyanine-C60 Multi-Hetero Junctions2021

    • 著者名/発表者名
      Masaki Nobuoka, Koshi Kamiya, Shugo Sakaguchi, Tsuneaki Sakurai, Shu Seki
    • 学会等名
      The 38th International Conference of Photopolymer Science and Technology
    • 国際学会

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公開日: 2022-12-28  

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