保護剤を用いずに1 nm以下の金属ナノ粒子を物理的に合成する新規方法の開発

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26620002
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 真船 文隆 東京大学, 大学院総合文化研究科, 教授 (50262142)
• 研究分担者: 宮島 謙 東京大学, 大学院総合文化研究科, 助教 (20365456)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: クラスター / ナノ粒子 / レーザー蒸発 / ナノシリカ / 金属酸化物 / キャビテーションバブル

研究実績の概要

本研究では、レーザー蒸発法を用いて、サブナノメートルスケールの粒子を安定に生成することを目的とした。そのためのアプローチとして、①　気相クラスターを用いて、サブナノメートルの粒子の安定性を明らかにした。②　液相レーザー蒸発法でキャビテーションバブルの生成と粒子生成の関係を明らかにするために、その場観察のためのシャドウグラフ装置を立ち上げた。③　実際に溶液中に分散している10 nm程度の大きさのシリカ（ナノシリカ）を担持剤として用いて、液相レーザー蒸発法によって生成する一次粒子をシリカの表面で捕捉し、サブナノ粒子の合成を試みた。
気相クラスターによる研究では、気相熱脱離法を用いて様々な金属クラスターや金属酸化物クラスターの安定組成に関する研究を行った。例えば、酸化物クラスターでは、それぞれの元素の酸化数が安定性に重要な役割を果たすことがわかった。5族元素の酸化物については、Nbが+5の酸化数を、Vが+4と+5の酸化数をとると考えれば、これらの酸化物クラスターの熱的に安定な組成をすべて説明できることを明らかにした。
液相レーザー蒸発法によるナノ粒子生成では、パルスレーザー照射直後に現れるギャビテーションがナノ粒子生成に重要な役割を果たすことが最近の実験によって明らかにされている。外力を与えることによってキャビテーションを制御し、ナノ粒子生成対する影響を評価するために、シャドウグラフ装置を立ち上げ、キャビテーションバブルを観測した。
ナノシリカを用いたサブナノ粒子合成に関しては、ニッケル、ロジウム、モリブデン合金、銅、硫化鉄などについて検証した。ニッケルやロジウムに関しては、１ nmより小さな粒子の生成が生成した一方、一部の元素は時間の経過に伴い、酸化されてイオンとして溶出することがわかった。

研究成果

• [雑誌論文] Desorption of Oxygen from Cationic Niobium Oxide Clusters Revealed by Gas Phase Thermal Desorption Spectrometry and Density Functional Theory Calculations (2017)
  • 著者名/発表者名: Daigo Masuzaki, Toshiaki Nagata, Fumitaka Mafuné
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. A 巻: 121 ページ: 2079-2085
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.6b12645
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Isomers of Anionic Gold Oxide Clusters, AunO2-， Investigated by Thermal Desorption Spectrometry (2017)
  • 著者名/発表者名: Masato Yamaguchi, Fumitaka Mafune
  • 雑誌名: press 巻: 121 ページ: 8498-8503
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b01963
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Oxidation States of Rhodium Cluster Ions Studied by Thermal Desorption Spectroscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: Fumitaka Mafune, Masato Takenouchi, Ken Miyajima, Satoshi Kudoh
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. A 巻: 120(3） ページ: 356-353
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.5b09531
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Reactivity Control of Rhodium Cluster Ions by Alloying with Tantalum Atoms (2016)
  • 著者名/発表者名: Fumitaka Mafune;Yuki Tawaraya, Satoshi Kudoh
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. A 巻: 120（6） ページ: 861-867
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.5b11898
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Induction of Protein Crystallization by Platinum Nanoparticles (2016)
  • 著者名/発表者名: Yoshihiro Takeda, Fumitaka Mafune;
  • 雑誌名: Chem. Phys. Lett. 巻: 647 ページ: 181-184
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2015.12.070
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Microcrystals Delivery by Pulsed Liquid Droplet for Serial Femtosecond Crystallography (2016)
  • 著者名/発表者名: Fumitaka Mafune;, Ken Miyajima, Kensuke Tono, Yoshihiro Takeda, Jun-ya Kohno, Naoya Miyauchi, Yasumasa Joti, Jun Kobayashi, Eriko Nango, So Iwata, Makin Yabashi
  • 雑誌名: Acta Crystallographica Section D 巻: 72 ページ: 520-523
  • DOI: 10.1107/S2059798316001480.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thermal Desorption of Oxygen from Near-Stoichiometric Vanadium Oxide Cluster Cation (2016)
  • 著者名/発表者名: Hodaka Kurokawa, Fumitaka Mafune;
  • 雑誌名: Chem. Phys. Lett 巻: 651 ページ: 24-27
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2016.02.072
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Adsorption and Desorption of Nitrogen Molecules with Cationic Tantalum Clusters and Rhodium Clusters Studied by Thermal Desorption Spectrometry (2016)
  • 著者名/発表者名: Fumitaka Mafune; Yuki Tawaraya and Satoshi Kudo
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. A 巻: 120 ページ: 4089-4095
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.6b03479
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Catalytic Reactions of Gas Phase Zirconium Oxide Clusters with NO and CO Revealed by Post Heating (2016)
  • 著者名/発表者名: Ken Miyajima, Fumitaka Mafune;
  • 雑誌名: Chem. Phys. Lett 巻: 660 ページ: 261-265
  • DOI: 10.1016/j.cplett.2016.07.028
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Role of Gold Atoms on the Oxidation and Reduction of Cationic Rhodium-Gold Clusters, RhnAum+, Studied by Thermal Desorption Spectrometry (2016)
  • 著者名/発表者名: Fumitaka Mafune, Masato Takenouchi, Satoshi Kudo,
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 120 ページ: 19280-19285
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b06982
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Desorption Energy of Oxygen Molecule from Anionic Gold Oxide Clusters, AunO2-, Using Thermal Desorption Spectrometry (2016)
  • 著者名/発表者名: Masato Yamaguchi, Ken Miyajima, Fumitaka Mafune;,
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. C 巻: 120 ページ: 23069-23073
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b08139
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Gold Atoms Supported on Gas-Phase Cerium Oxide Cluster Ions: Stable Stoichiometry and Reactivity with CO (2016)
  • 著者名/発表者名: Toshiaki Nagata, Ken Miyajima, Fumitaka Mafune;
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. A 巻: 120 ページ: 7624-7633
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.6b08257
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Geometrical Structures of Partially Oxidized Rhodium Cluster Cations, Rh6Om+ (m = 4, 5, 6), Revealed by Infrared Multiple Photon Dissociation Spectroscopy (2016)
  • 著者名/発表者名: Kohei Koyama, Toshiaki Nagata, Satoshi Kudoh, Ken Miyajima, Douwe M. M. Huitema, Valeriy Chernyy, Joost M. Bakker, Fumitaka Mafune
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. A 巻: 120 ページ: 8599-8605
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b08139
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] ニオブ酸化物カチオンクラスターの気相昇温脱離法による酸素脱離 (2017)
  • 著者名/発表者名: 増﨑 大悟・永田 利明・宮島 謙・真船 文隆
  • 学会等名: 日本化学会春季年会
  • 発表場所: 慶應大学日吉キャンパス(神奈川県)（横浜市）
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-17
• [学会発表] 気相昇温脱離法による白金酸化物クラスターと一酸化窒素の反応の解明 (2017)
  • 著者名/発表者名: 山岸 潤・宮島 謙・真船 文隆
  • 学会等名: 日本化学会春季年会
  • 発表場所: 慶應大学日吉キャンパス(神奈川県)（横浜市）
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-17
• [学会発表] 昇温脱離法を用いた金酸化物クラスターからの酸素脱離 (2017)
  • 著者名/発表者名: 山口 雅人・宮島 謙・真船 文隆
  • 学会等名: 日本化学会春季年会
  • 発表場所: 慶應大学日吉キャンパス(神奈川県)（横浜市）
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-17
• [学会発表] 赤外自由電子レーザーを用いたロジウム酸化物クラスターの赤外解離分光 (2017)
  • 著者名/発表者名: 小山 航平・永田 利明・工藤 聡・宮島 謙・Douwe Huitema・Valeriy Chernyy・Joost Bakker・真船 文隆
  • 学会等名: 日本化学会春季年会
  • 発表場所: 慶應大学日吉キャンパス(神奈川県)（横浜市）
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-17
• [学会発表] 一酸化窒素が吸着したロジウムクラスターの赤外光解離分光 (2017)
  • 著者名/発表者名: 永田 利明・小山 航平・工藤 聡・宮島 謙・Joust Bakker・真船 文隆
  • 学会等名: 日本化学会春季年会
  • 発表場所: 慶應大学日吉キャンパス(神奈川県)（横浜市）
  • 年月日: 2017-03-17 – 2017-03-17
• [学会発表] 気相昇温脱離法による銀酸化物負イオンクラスターからの酸素分子脱離過程の解明 (2017)
  • 著者名/発表者名: 川島 奈子・山口 雅人・小山 航平・宮島 謙・真船 文隆
  • 学会等名: 日本化学会春季年会
  • 発表場所: 慶應大学日吉キャンパス(神奈川県)（横浜市）
  • 年月日: 2017-03-16 – 2017-03-16
• [学会発表] セリウム－バナジウム複合酸化物クラスターの酸化還元反応 (2016)
  • 著者名/発表者名: 増﨑 大悟・永田 利明・宮島 謙・真船 文隆
  • 学会等名: 分子科学討論会
  • 発表場所: 神戸ファッションマート(兵庫県 神戸市）
  • 年月日: 2016-09-15 – 2016-09-15
• [学会発表] 昇温脱離法による金酸化物クラスターからの酸素脱離 (2016)
  • 著者名/発表者名: 山口 雅人・宮島 謙・真船 文隆
  • 学会等名: 分子科学討論会
  • 発表場所: 神戸ファッションマート(兵庫県 神戸市）
  • 年月日: 2016-09-14 – 2016-09-14
• [学会発表] 白金酸化物クラスターの気相昇温脱離 (2016)
  • 著者名/発表者名: 宮島 謙・真船 文隆
  • 学会等名: 分子科学討論会
  • 発表場所: 神戸ファッションマート(兵庫県 神戸市）
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-15
• [学会発表] セリウム酸化物クラスターに担持された金原子の安定性や反応性への効果 (2016)
  • 著者名/発表者名: 永田 利明・宮島 謙・真船 文隆
  • 学会等名: 分子科学討論会
  • 発表場所: 神戸ファッションマート(兵庫県 神戸市）
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-13
• [学会発表] 中赤外自由電子レーザーを用いたロジウム酸化物クラスターの光解離分光 (2016)
  • 著者名/発表者名: 小山 航平・永田 利明・工藤 聡・宮島 謙・Huitema Douwe・Chernyy Valeriy・Bakker Joost・真船 文隆
  • 学会等名: 分子科学討論会
  • 発表場所: 神戸ファッションマート(兵庫県 神戸市）
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-13
• [学会発表] 昇温脱離法を用いた金-銅カチオンクラスターと酸素及び一酸化窒素との反応性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 芳之内瑛摩・小山航平・宮島謙・真船文隆
  • 学会等名: 分子科学討論会
  • 発表場所: 神戸ファッションマート(兵庫県 神戸市）
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-13
• [学会発表] Oxidation process of rhodium metal clusters with nitrous oxide (2016)
  • 著者名/発表者名: MIYAJIMA, Ken; MAFUNE, Fumitaka
  • 学会等名: 化学反応討論会
  • 発表場所: 大宮ソニックシティー(埼玉県 大宮市）
  • 年月日: 2016-06-01 – 2016-06-03