研究

研究概要

 一つの分子が発現する機能は多様であり、分子が示す光・電子機能性、生理活性などに基づき、エレクトロニクス・材料・医薬など広範な分野での応用に供されています。一方、複数の分子が集合すると、それぞれの分子に起因する機能だけでなく、異種分子間の相互作用により、単一の分子では実現できない新たな機能発現が期待できます。我々の研究室では、ナノメートル領域で複数の分子が集合した“ナノアセンブリ”に着目し研究を進めています。分子の自己組織化過程を設計・制御することで新奇なナノアセンブリ構造を実現し、さらに集合体における共同現象を積極的に利用することで、単一分子では達成できない機能の発現を目指します。ナノメートル領域で設計されたナノアセンブリを周期的に配列した材料、すなわちナノアセンブリ材料は、多くの場合、単結晶の形態を有します。その構造と機能の相関を詳細に検討し、次代を担う新奇材料を開拓することが、我々の研究目標です。

研究内容

以下の研究は、ナノアセンブリ材料による新奇機能の実現を目指した基礎研究です。研究の背景となるのは、伝 導体・磁性体・超分子化学・錯体化学・界面科学・物性科学です。これらの背景を元に、新奇ナノアセンブリ材 料の開拓を目指します。


超分子ローター構造を含む伝導体・磁性体・誘電体の開発

超分子化学の手法を用いる事で、磁性や伝導性、誘電性を有する機能性分子集合体の構造制御や物性の複合化が可能です。各種カチオンとクラウンエーテルが非共有結合性の分子間相互作用から形成する超分子集合体カチオン構造に着目し、生体分子系で見られる分子モーター構造を模倣した新規な分子ローター構造の設計とその機能開拓を行っています。

    参考文献
  • T. Akutagawa, H. Koshinaka, D. Sato, S. Takeda, S. Noro, H. Takahashi, R. Kumai, Y. Tokura, T. Nakamura "Ferroelectricity and polarity control in solid state flip-flop supramolecular rotators" Nature Mater. 2009, 8, 342-347 (DOI: 10.1038/nmat2377).
  • T. Akutagawa, T. Nakamura "Supramolecular approach for solid state Brownian rotators" Dalton Trans. 2008, 6335-6345 (DOI: 10.1039/b808748b)
  • T. Akutagawa, K. Shitagami, S. Nishihara, S. Takeda, T. Hasegawa, T. Nakamura, Y. Hosokoshi, K. Inoue, S. Ikeuchi, Y. Miyazaki, K. Saito "Molecular Rotor of Cs2([18]crown-6)3 in the Solid State Coupled with the Magnetism of [Ni(dmit)2]" J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 4397-4402 (DOI: 10.1021/ja043527a).

混合原子価ポリオキソメタレートを用いた新規電子材料の開発

モリブデン酸の脱水縮合により形成するポリオキソメタレートは、ナノスケールで構造が正確に決まったクラスターであり、次世代のナノ電子材料として興味深い研究対象と考えます。また、クラスター中で遷移金属イオンは混合原子価状態で存在し、クラスター内の電子やスピンは動き回っていると考えられます。一つのクラスター内に多数の遷移金属イオンを含むことから、たくさんの電子を貯蔵することが可能な多段階電子貯蔵物質としても興味が持たれます。この様なクラスターを対象として、磁性金属イオンや有機分子との複合化により新規物質の探索を行っています。

    参考文献
  • J. Xiong, K. Kubo, S. Noro, T. Akutagawa, T. Nakamura "Self-assembled Structure of Inorganic-Organic Hybrid Crystals Based on Keggin Polyoxometallates [SMo12O402-] and Supramolecular Cations" Cryst. Growth Des. 2016, 16, 800-807. (DOI: 10.1021/acs.cgd.5b01388).
  • J. Xiong, K. Kubo, S. Noro, T. Akutagawa, T. Nakamura “Supramolecular cations of (m-halogenated-anilinium)(dibenzo[18]crown-6) in Keggin [SMo12O402-] polyoxometallates” CrystEngComm 2015, 17, 856-861 (DOI: 10.1039/c4ce01988a).
  • S. Noro, R. Tsunashima, Y. Kamiya, K. Uemura, H. Kita, L. Cronin, T. Akutagawa, T. Nakamura "Adsorption and Catatytic Properties of the Inner Nanospace of a Gigantic Ring-Shaped Polyoxometalate Cluster" Angew. Chem., Int. Ed. 2009, 48, 8703-8706.(DOI: 10.1002/anie.200903142)
  • H. Imai, T. Akutagawa, F. Kudo, M. Ito, K. Toyoda, S. Noro, L. Cronin, T. Nakamura "Structure, Magnetism, and Ionic Conductivity of the Gigantic {Mo176}-Wheel Assembly: Na15Fe3Co16[Mo176O528(H2O)80]Cl27.450H2O" J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 13578-13579 (DOI: 10.1021/ja9048042).

ナノワイヤ−金ナノ粒子ネットワーク構造の作製と量子伝導素子の実現

マクロサイクリックTTF誘導体は、分子性ナノワイヤ構造を形成することが可能です。この様な分子性ナノワイヤとサイズが適合する金ナノ粒子を複合化する事で、ナノワイヤ−金ナノ粒子ネットワーク構造の作製が可能です。ネットワーク構造内の金ナノ粒子間の相互作用は、Langmuir-Blodgett法を用いることで制御可能であり、またその電気伝導性を制御することも可能である。金ナノ粒子の占有率の高い位LB膜では、低温領域においては、金ナノ粒子間のクローンブロッケードの多重結合により支配される量子伝導性が観測されます。この様な量子伝導性のメカニズムの解明とデバイス化に向けて基礎研究を試みています。

    参考文献
  • Y. Noda, S. Noro, T. Akutagawa, T. Nakamura "Gold nanoparticle assemblies stailized by bis(phthalocyaninato)lanthanide(III) complexes through van der Waals interactions" Sci. Rep. (Nature Publishing Group) 2014, 4, 3758 (DOI: 10.1038/srep03758).

水素結合を利用した分子性電子材料の開発

分子性固体中に、水素結合性の機能性ユニットを導入し、新規な電子物性制御系を開発しています。これまで、結晶中における水素結合鎖に沿ったプロトンの温度変化によるプロトン移動現象を利用した誘電相転移システムを作成してきました。重水素置換により、その相転移温度は大きく変化します。このような一連の研究を基にして、新規な電子−プロトン連動系の開発を目指します。

    参考文献
  • H.-Y. Ye, Y. Zhang, S. Noro, K. Kubo, M. Yoshitake, Z.-Q. Liu, H.-L. Cai, D.-W. Fu, H. Yoshikawa, K. Awaga, R.-G. Xiong, T. Nakamura "Molecular-displacive ferroelectricity in organic supramolecular solids" Sci. Rep. (Nature Publishing Group) 2013, 3, 2249 (DOI: 10/1038/srep02249).

金属錯体を用いた新奇多孔性材料の開発

金属イオンと有機架橋配位子を自己集積させることによって得られる高分子状の金属錯体は、構造の多様性、設計性、柔軟性に富んだ高結晶性の物質です。また、無機部品の金属イオンと有機部品の配位子が共存しているため、それぞれの特性を兼ね備えることが可能です。そのため、さまざまな機能性物質の研究対象として注目されてきました。特に、均一な細孔を有する多孔性金属錯体はここ20年の間に急速に発展した分野であり、ゼオライト、活性炭に続く第三の多孔性材料として精力的に研究されています。我々は、独自の分子設計に基づく新奇な多孔性金属錯体を合成し、その吸着・分離・触媒機能について評価を進めています。

    参考文献
  • Shin-ichiro Noro, Junya Mizutani, Yuh Hijikata, Ryotaro Matsuda, Hiroshi Sato, Susumu Kitagawa, Kunihisa Sugimoto, Yasutaka Inubushi, Kazuya Kubo, and Takayoshi Nakamura "Porous coordination polymers with ubiquitous and biocompatible metals and a neutral bridging ligand" Nature Commun. 2015, 6, 5851 (DOI: 10.1038/ncomms6851).
  • S. Noro, K. Fukuhara, K. Sugimoto, Y. Hijikata, K. Kubo, T. Nakamura "Anion-dependent host-guest properties of porous assemblies of co-ordination complexes (PACs), [Cu(A)2(py)4] (A = PF6, BF4, CF3SO3, and CH3SO3; py = pyridine), based on Werner-type copper(II) compound in the solid state" Dalton Trans. 2013, 42, 11100-11110.(DOI: 10.1039/c3dt51104a)
  • K. Fukuhara, S. Noro, K. Sugimoto, T. Akutagawa, K. Kubo, T. Nakamura "Porous Coordination Polymer Polymorphs with Different Flexible Pores Using Structurally Flexible and Bent 1,3-Bis(4-pyridyl)propane Ligand" Inorg. Chem. 2013, 52, 4229-4237.(DOI: 10.1021/ic301949n)
  • S. Noro, Y. Hijikata, M. Inukai, S. Horike, M. Higuchi, S. Kitagawa, T. Akutagawa, T. Nakamura "Highly Selective CO2 Adsorption Accompanied with Low-Energy Regeneration in a Two-Dimensional Cu(II) Porous Coordination Polymer with Inorganic Fluorinated PF6- Anions" Inorg. Chem. 2013, 52, 280-285.(DOI: 10.1021/ic301949n)

多孔性金属錯体(PCP)賦形用バインダーの合成と賦形体特性評価
(JST ACCEL研究、研究者代表:北川進(京都大学)、プログラムマネージャー:山本高郁)

PCPの優れた気体分離及び貯蔵機能を損なうことなく発揮できるPCP賦形体作製技術を開発します。具体的には、COその他ガス分離用柔軟性PCPに適したバインダー樹脂の開発、PCP賦形体の材料強度の評価、PCP賦形体のガス吸着分離特性の評価、評価結果を基にしたバインダー樹脂の最適化デザインを行います。

超分子ローター構造を含む伝導体研究紹介・磁性体・誘電体の開発