【研究領域課題番号】20K05623 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

コロイド / ナノ粒子 / 高分子 / 自己組織化 / 分子動力学 / 結晶 / 相転移 / ソフトマテリアル / ゆらぎ / ゲル

【研究成果の概要】

フォトニック結晶の分野では、自発的に形成される様々な結晶構造を実現するためのフレームを開発することが中心的な課題の1つとなっている。特に簡単な方法として、コロイド結晶を用いる方法があるが、コロイド結晶のバリエーションは限られており、その構造は壊れやすい。そこで、本研究では強靭な結晶構造を形成する可能性を持つPGNPに着目する。具体的には、本研究では高分子グラフトナノ粒子（PGNP）の多形構造を予測し、フォトニック結晶としての可能性を開くための強力な理論的枠組みを提供することである。このテーマは、これまでにも多くの実験的・理論的研究が行われてきた。本年度は、PGNPの結晶多形について、主に粗視化分子動力学シミュレーションを用いて検証した。その結果、以下のような結果を得ることができた。（1）グラフトポリマーの鎖長やグラフト密度によって分子間相互作用が複雑に変化し、調整できることを明らかにした。特に、低体積分率では、PGNPは様々な超構造に自己組織化することが可能であった。（2）PGNPが高体積分率でバルク状態に相当する様々な結晶構造を示すことを明らかにし、フォトニック結晶として理想的な構造の一つであるダイヤモンド構造への到達の方向性を示した。（3）今回の結果は、粗視化分子動力学シミュレーションでPGNPsの結晶相転移を直接観察した初めての事例となった。今後のPGNPsの結晶多形研究にとって重要な方法論になると考えられる。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2020-04-01 - 2025-03-31

【配分額】4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)

【研究領域課題番号】18K05324 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ナノ粒子 / 自己組織化 / 化学修飾 / 相分離 / タンパク質 / 光増感剤 / タンパク質ナノ粒子 / 超分子 / 蛋白質超分子

【研究成果の概要】

人工タンパク質ナノ粒子TIP60は中空構造を有する分子である。TIP60の内部空間を疎水化すれば、内部空間に水に溶けない難溶性分子を水中で分散できるカプセルとして、あるいは、外部表面を疎水化すれば有機溶媒に溶けるカプセルとして利用できるのではないかと考え、研究を進めてきた。その結果、内部空間の疎水化と疎水性分子の内包、水中での分散には成功した。外部表面については、疎水性分子ではなく、両親媒性ポリマーのPEGで修飾すると、アルコール溶媒中に分散ができるところまで確認できた。

【研究の社会的意義】

タンパク質は高分子でありながら均一な構造を有するという魅力的な特徴を有する。しかし、生体由来の分子であることから、その利用は一般的に水中に限られる問題がある。本研究はそのような制約を乗り越えるために、我々が開発したタンパク質ナノ粒子TIP60を疎水性環境で利用できるように性質を改変することを目的として研究を行った。このような物質材料の開発は、タンパク質の新しい利用方法を切り開く基盤技術になりうるものである。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2018-04-01 - 2022-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】材料力学、生産工学、設計工学およびその関連分野

【研究領域課題番号】17K18833 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

リチウムイオン電池 / シリコン負極 / レーザ照射 / マイクロピラー / 単結晶シリコン / 粉末 / 自己組織化 / 微細構造 / シリコン / 電池負極 / ナノ粒子 / 電極材料 / 微粒子

【研究成果の概要】

現在電子機器の消費電力の増加やスマートハウス，電気自動車などへの応用に伴い，リチウムイオン電池の高容量化が求められている．一方，半導体分野でSiウエハの生産においてワイヤソーによるインゴットの切断の際粒度がμmオーダーのSi粉末が切りくずとして大量に排出されいる．本研究では，銅箔上へ塗布された廃Si粉末へのナノ秒パルスレーザ照射を行った．その結果，Siマイクロピラーの形成に成功し，レーザフルエンスおよび走査速度を変化させることでピラーの高さの制御,レーザの照射角度を変化させることでピラーの形成方向の制御が可能であった．作製したSiピラーが優れたサイクル特性を示した.

【研究の社会的意義】

本手法で生成したSiマイクロピラー構造は充電時のSi体積膨脹を吸収できるため，電極表層脱落や破砕を抑制し，長寿命のSi電極が製作可能となる．また，Si/Cuの界面溶融を用いたマイクロピラーの集電体への強固な結合によって構造体の強度を向上させ，電気抵抗も大幅に低減させることが可能である．本研究の成果により，産業廃棄物とされている大量なSi切りくずが新しいLiイオン電池の原料へ変身することが可能となる．この試みは学術的にも産業的にもチャレンジ性の非常に高い研究課題であり，本研究の成果により特にエネルギー産業に大きな波及効果がもたらされると考えられる．

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2017-06-30 - 2019-03-31

【配分額】6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)

【研究分野】無機材料・物性

【研究領域課題番号】16H02398 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

自己集合 / 自己組織化 / ナノ粒子 / 機能性酸化物 / イオン導電性 / 磁性 / バイオミネラル / 結晶成長 / 機能材料

【研究成果の概要】

サイズと形状のそろったナノブロックは，その分散液の蒸発に伴う移流集積現象によって配向配列体を形成する．本研究では，この自己集積現象を巧みに利用し，集積条件を最適化することで，ナノキューブやナノ直方体などの矩形ナノブロックをビルディングユニットとして，様々な種類の一次元・二次元・三次元秩序配列をマイクロ～ミリメートルスケールの広範囲にわたって方位選択的に作製することを可能とした．ナノブロックは有機分子に覆われており，多様な金属酸化物や金属が積層できるために，多様かつ異種の物質において特異な配向体や接合体が得られ，結晶方位の同一性や高い比表面積に由来する新規な機能が見出された．

【研究の社会的意義】

本研究で見出されたブロック配列による材料の形態デザインでは，ビルディングユニットは有機分子に覆われており，化学組成はその秩序配列に影響を及ぼさない．そのため，本手法は多様な金属、金属酸化物、その他の物質のナノブロックによる様々な種類の一次元・二次元・三次元秩序配列の作製に適用可能である．さらに本研究では，ナノブロックの規則配列や異種物質の接合による新規機能が見出されており，本手法の機能デバイスへの発展が示されている．従って，矩形ナノブロックを自在に組み合わせて任意な形態に配列させる本手法は，革新的な機能を生み出す材料プロセスであり，新たな材料開発の基盤として期待される．

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2016-04-01 - 2020-03-31

【配分額】44,460千円 (直接経費: 34,200千円、間接経費: 10,260千円)

【研究分野】反応工学・プロセスシステム

【研究領域課題番号】16K14468 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ナノ粒子 / アッセンブリ / ビルディングブロック / DDS / ドラッグデリバリー / 集合体 / 有機半導体ポリマー / 環境応答性 / イメージング / ナノ材料 / ナノバイオ / 自己組織化 / 高次構造

【研究成果の概要】

金属や半導体など、非生分解性のナノ粒子を生体内で用いる際、粒子が体外に排泄されるためには粒径がシングル nm以下であることが必要だが、腫瘍組織への集積には100 nm程度が望ましい。このサイズのジレンマを解消するため、本研究では金ナノ粒子と有機半導体ポリマー蛍光ナノ粒子をビルディングブロックとして使用し、100 nm程度のナノ粒子集積体を作製した。作製された集積体は腫瘍環境に応答して一次粒子の状態まで分解した。これにより、腫瘍集積後の速やかな排泄が期待される。さらに、光増感剤を蛍光ナノ粒子中に封入することで、その光機能や抗腫瘍効果を腫瘍環境に応答して発現させられることを示した。

【研究の社会的意義】

非生分解性ナノ粒子の腫瘍への集積と対外への排泄の両立は、医療分野での応用において共通した課題であった。本研究で開発された手法はビルディングブロックの粒子の種類によらず適用可能であると考えられるため、機能性ナノ粒子を画像診断や薬物送達などに応用していく上で、汎用的なプラットフォームとして発展していくことが今後期待される。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)

【研究分野】無機材料・物性

【研究領域課題番号】15K14129 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

結晶成長 / 自己組織化 / 自己集合 / ナノ粒子

【研究成果の概要】

本研究では、多様な物質系を用いてナノスケールの矩形ユニット粒子のオリエンテッドアタッチメント現象を検討した。第1には、既存の酸化マンガン矩形ブロックにおいて、安定化分子や集積条件を最適化し、位置や配列を任意に制御した多様なオリエンテッドアタッチメントの方法を開発した。第2には、アナターゼ型二酸化チタン・水酸アパタイト・カルサイト型炭酸カルシウムの矩形ナノブロックの合成と配列に取り組み、多様な物質系におけるオリエンテッドアタッチメント現象を確認した。これらの結果より、ナノユニットを自在に連結させるオリエンテッドアタッチメントの技術的基盤の確立に成功した。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)

【研究分野】無機工業材料

【研究領域課題番号】23350098 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ナノ材料 / 自己組織化 / 表面・界面物性 / 複合材料・物性 / ナノ粒子

【研究成果の概要】

我々は以前、50nm以下のサイズ領域で粒子径の制御が可能な単分散球状シリカナノ粒子をグラムオーダーで合成する手法を確立した。この粒子はコロイド分散液として得られ、ボトムアッププロセスによる材料開発における優れたナノビルディングユニット(NBU)となり得る。本研究では、単分散球状シリカナノ粒子のさらに簡便な合成法を開発するとともに、粒子の組成、形状、内部構造などを多様化し、種々のNBUを得ることに成功した。さらに、液相中でNBU間に働く相互作用を制御し、NBUを一次元から三次元の各種次元へと自己集合させる方法を確立した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2011-04-01 - 2014-03-31

【配分額】20,150千円 (直接経費: 15,500千円、間接経費: 4,650千円)

【研究分野】無機工業材料

【研究領域課題番号】20245044 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ナノ材料 / ナノ粒子 / メゾスコピック系 / 自己組織化 / 無機有機ハイブリッド / 合成化学 / 多孔体

【研究成果の概要】

高次構造制御されたシリカ系ナノ構造体の合成と機能付与に向け、出発分子となる有機シロキサンオリゴマーを設計した。出発分子の精密な設計や有機分子の添加により、多様なメソ構造を形成した。本手法を発展させ、有機分子を包含可能なポリマーにアルコキシシリル基を導入した分子を設計し、メソ構造体へと転換した。これらの分子の自己組織化により、機能を付与したメソ構造体の作製が可能となった。また、メソポーラスシリカはメソ構造の高い設計性、骨格由来の機械的強度、制限された反応場として利用できるメソ孔を有するなど、メソ構造の鋳型として有用である。そこで本研究ではメソポーラス金属の合成場として利用し、新規メソ構造や組成を有するメソポーラス金属を合成した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2008 - 2010

【配分額】50,310千円 (直接経費: 38,700千円、間接経費: 11,610千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】14350180 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

磁気記録媒体 / 磁性ナノ粒子 / 自己組織化 / ナノ粒子アレイ / 磁気異方性 / 規則合金 / Fe-Pt / ナノ粒子 / ラングミュア・プロジェット法 / ラングミュア・ブロジェット法 / FePt / 磁気緩和 / LB法

【研究成果の概要】

本研究は1平方インチあたり1テラビット以上の面記録密度目標として,Fe-Ptナノ粒子アレイを磁気記録媒体に応用する要素技術を開発し,その実現の可能性を探査することを目的とした.そこで,以下の知見を得た.
1)粉末試料でFe-Ptナノ粒子の物性評価を行なった結果,X線回折から求めた長距離規則度に加え,メスバウアー分光により短距離規則度を評価することも有益な情報が得られることを見出し,規則度と磁気異方性との相関について検討した.異方性の評価には異方性磁界の分布も考慮に入れる必要があり,特に部分的に規則化した試料についてはその分布がブロードになり,低異方性磁界成分のほうに広がることを明らかにした.
2)マイクロ波照射による加熱を利用したポリオール還元法で部分的ではあるが,化学溶液プロセスだけでの規則合金Fe-Ptナノ粒子の直接合成に成功した.反応温度は250℃で80kOe以上の異方性磁界を得た.
3)ラングミュア・プロジェット(LB)法で,飽和脂肪酸(C,H_<2n>O_2)分子をFe-Ptナノ粒子分散溶液に混合して水面上に滴下すると,飽和脂肪酸単分子膜がバッファー層として水面上に形成され,凝集やドメインの形成が抑制されたFe-Ptナノ粒子単層膜の作製に成功した.nが14以上の分子で効果があり,n=14のミリスチン酸が配列規則性などの点で最も優れていた.
4)Fe-Ptナノ粒子単層膜を熱処理する際に発生する焼結の問題を解決するために,カーボン・スパッタ膜をオーバーコートした.その結果,焼結が抑制され,集積膜中の比較的孤立したFe-Ptナノ粒子を規則化させることに成功した。ただし,規則化のために必要な熱処理温度はより高く,時間はより長くなる傾向となった.カーボン・オーバーコートしたFe-Ptナノ粒子集積膜を最適な条件で熱処理することにより4〜5nmの粒子寸法で4.8x10^7erg/cm^3と高い磁気異方性を実現した.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2002 - 2004

【配分額】17,000千円 (直接経費: 17,000千円)

【研究分野】反応・分離工学

【研究領域課題番号】12555221 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

フォトニック結晶 / 自己組織化 / ナノ粒子 / レーザー / 光メモリー / 離散要素法 / 自然沈降 / 蛍光 / フォトニッククリスタル / デバイス / フォトニックバンドギャップ / シリカ / 結晶化 / 高速製膜 / フォトニッククハスタル

【研究成果の概要】

フォトニック結晶は、光の波長レベル(数百ナノメーター)の大きな構造周期を有する「結晶」で、21世紀の光情報化時代の基幹材料である。本展開研究では、1)生成機構の解明と高速製造と2)デバイス化に関する検討を行った。
1)生成機構の解明と高速製造
自然沈降法による三次元フォトニッククリスタル形成過程の最適化とメカニズム検討を行った。これらの知見をもとに薄膜化に関して離散要素法(Discrete Element Method, DEM)法を用いてシリカ粒子の自己配列過程の計算機シミュレーションを実施し、実験と比較検討を行った。初期条件を変化させることにより、点欠陥、線欠陥の発生するメカニズムについての知見を得ることができた。欠陥の少ないフォトニック結晶薄膜の高速製造のための指針が得ることができた。
2)デバイス化への展開
フォトニック結晶中に色素と金属微粒子を閉じ込めることにより、低しきい値で発振するレーザーの開発を検討した。色素や金属微粒子の固定法を工夫することにより、スパイク状のパルスを発振できることに成功した。
コロイド化学的に合成した半導体ナノ粒子のウェットプロセスによる自己配列法の検討を行い、配列構造と光機能の相関について解析した。半導体ナノ粒子配列構造において励起光照射時間に伴い、蛍光発光強度が非線形な挙動を示すことを見出した。この非線形発光挙動は、ナノ粒子配列における一部の粒子の光イオン化によるマトリクスの静電ポテンシャル上昇および光酸化によるエネルギー障壁の生成による光イオン化速度の減少、すなわちナノ粒子群としての見かけの量子効率変化として説明できる。解析の結果、この現象は粒子充填密度が深く関与していることが示唆された。光メモリーへの応用が期待される。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2000 - 2001

【配分額】12,700千円 (直接経費: 12,700千円)