2023 Fiscal Year Annual Research Report
Soft materials science based on structural two-dimensionality
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21H05024
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
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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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
庄子 良晃 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (40525573)
竹原 陵介 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 助教 (00869779)
福井 智也 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 助教 (40808838)
梶谷 孝 東京工業大学, オープンファシリティセンター, 主任技術専門員 (20469927)
二瓶 雅之 筑波大学, 数理物質系, 教授 (00359572)
渡辺 豪 北里大学, 未来工学部, 教授 (80547076)
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| Project Period (FY) |
2021-07-05 – 2026-03-31
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| Keywords | ソフトマテリアル / 2次元分子集合化 / トリプチセン / 有機薄膜 / 自己組織化単分子膜 / 刺激応答 / 酸化物クラスター |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、優れた2次元ヘキサゴナル構造形成能を有するトリプチセン(TP)誘導体や同様の性質を示す新たな分子系を基盤とし、薄膜、SAM、結晶、ポリマーなど多様な形態とスケールを有する2次元分子集合体の創製と機能開拓を推進している。本年度成果の例を以下に示す。1) TPを足場とし、双極性回転子の運動性を確保して2次元集合化させたソフトマテリアルおよび単結晶の構築に成功した。2) TP誘導体を配位子として合成したMn酸化物クラスターが、CNTに匹敵する高効率な光熱変換特性を示すことを見いだし、この発見を展開して温度応答性ゲルと組み合わせることで、光アクチュエーションする材料を開発した。さらにある種のTP誘導体が、金属イオンを多面体型クラスターに位置を制御して集積化する有用な配位子になることを見いだした。3) 昨年度までに開発した、水素結合と電荷移動相互作用により形成される2次元層状化合物において、面内方向のプロトン移動と考えられる機構で、異方的な誘電応答を示す興味深い現象を観測した。さらに2次元層状化合物を単層剥離できることも見いだしており、真に有機2次元物質といえる物質の創製に成功している。4) TP誘導体による剛直な主鎖を有するπ共役高分子の2次元構造化も達成した。この系では、高分子主鎖周りにドーパントを収容する空間形成が期待されるため、キャリアドーピングによる電子状態の変化に関する解析を進めている。5) 金属基板上に2次元超格子構造形成を可能にするTP誘導体の合成を達成し、現在SAM形成の検討を進めている。SAMに関する研究として、大面積、高密度、高秩序で機能団を導入できる系についても継続的に論文を発表している。上記に加え、6) 湾曲型π共役分子からなる2次元規則性を有する液晶を開発し、集団運動による特異な力学特性を見いだした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
特異な2次元集合能を有するTP誘導体を設計し、それらをビルディングブロックや超分子足場として利用し、単結晶、薄膜、SAM、ポリマーなど多様な形態とスケールを有する物質群に、種々の機能団の2次元集積化を実現する計画は順調に進んでいる。これにより、新たな性質や現象も多数見いだしており、今後構築した物質の物性や機能を明らかにすることで、さらなる発展と展開が見込まれる。計画に沿った進展に加えて、以下の当初予想を超えた顕著な成果も得られている。（成果1）実現が困難であった回転自由度を持つ双極性分子ローターの2次元集積化を早期に実現するとともに、当初、より挑戦的と想定していた、双極性分子ローターが2次元で集積化した単結晶の作製にも成功した。これにより、詳細な構造物性相関に関する検討が著しく進展する可能性が高い。（成果2）予期せぬ発見として、カーボンナノチューブに匹敵する極めて高効率な光熱変換特性を示す金属酸化物クラスターを見いだし、このクラスターを分子や高分子に組み込むための化学修飾法も確立した。これにより、広範な応用展開が可能になった。具体的には、温度応答性高分子と組み合わせることで、光でアクチュエーションする物質の開発に成功している。（成果3）短期間で単層膜やその数層積層膜を得るための分子設計と単層への剥離法を確立することに成功し、数層積層膜に関しては構造を明らかにしている。今後、多層膜から単層膜の各レベルでの物性解明が期待できる。（成果4）TP誘導体を用いることで層状無機物質への挿入や、様々な金属・金属酸化物基板への表面修飾を実現している。（成果5）トリプチセン以外の2次元集合化を示す新規分子モチーフを、当初の想定よりも短期間で発見している。以上、当初計画した研究成果に加えて、想定外の知見も数多く見出しているため、達成度を「当初の計画以上に進展している」と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに得られた知見を発展させ、引き続き有機2次元物質に関する新たなサイエンスの構築を強く推し進める。具体的には、1) TP誘導体を超分子足場として利用した動的な双極性ユニットの集積化とその物性の詳細な検討、2) TP誘導体を配位子として用いた新たな金属イオン集積体の作製と物性、機能探索、およびその応用展開、3) 多様な新規2次元有機単分子膜の構造の同定および物性、機能の検討、4) TP誘導体の高分子への導入を通じた集積構造の同定ならびに電気的、機械的特性の検討、5) TP誘導体を超分子足場としたSAMによる金属、金属酸化物表面の機能化、6) 層状無機物質へのTP誘導体のインターカレーションによる有機・無機ハイブリッドマテリアルの創製と物性・機能探求、および、7) 新たな2次元入れ子状分子集合モチーフの開発など、多角的な研究展開を図る。また8) 2次元集合化挙動の理解に向けて、分子動力学シミュレーションを引き続き検討する。3) では特に、電荷、スピン、ダイポールモーメントの2次元集積化を図り、外場による応答性を調べ、新たな現象や機能を探求する。これらの研究項目に加えて、紙面の制限で「研究実績の概要」「進捗状況」の項目で記載しきれなかった内容として、TP誘導体によるペロブスカイト太陽電池のパッシベーションレイヤー、酸化還元活性分子の配向SAM、および電場応答型の単分子膜メモリなどの開発も実施しており、これらは有機デバイスへの応用展開も見据えた検討を進める。
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