【研究分野】ナノ構造化学

【研究領域課題番号】17H01033 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

分子機械 / ナノチューブ / フラーレン / 分子ベアリング / 固体

【研究成果の概要】

本研究では「固体内慣性運動を実現する湾曲π面分子の構造科学」と題し，固体内分子機械という学際領域での新現象・新機能の発見・開拓を目指して研究を進めた．主題となる研究項目は以下の通りである：1. 固体内慣性運動の実証・精密検証，2. 固体内慣性運動の一般化に向けた理論的解析およびそのフィードバックに基づく新奇ナノ分子機械の設計・合成， 3. 固体内慣性運動のもたらす新現象・新機能の探索．以上の主題項目について検討を進め，固体内慣性運動の実証，固体分子機械の構造・動的挙動の多様化に成功した．

【研究の社会的意義】

本研究では固体内分子機械の設計・合成とその運動の解析を行った．ナノスケールで機械的挙動を示す分子機械は近年ナノサイエンス・ナノテクノロジーの分野で注目を集めている．本研究では，分子機械の分野に，「固体内慣性回転」という新しい概念をもたらし，精密測定と理論的解析によりこれを世界で初めて実証した点で学術的に意義深い．また本研究の成果は新しい機能性素材への応用など一般社会への波及効果も期待される．

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2017-04-01 - 2020-03-31

【配分額】43,420千円 (直接経費: 33,400千円、間接経費: 10,020千円)

【研究分野】ナノ構造科学

【研究領域課題番号】24241036 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ナノチューブ・フラーレン / 合成化学 / 有機化学 / ナノ材料 / 分子ベアリング / 分子機械 / ナノチューブ / フラーレン / 幾何学指標 / 顔料

【研究成果の概要】

本研究では「精密有機合成に立脚したナノカーボン構造化学」と題し，ナノカーボン分子構造の理解と，構造有機化学的理解に基づいたナノカーボン分子の発展的活用を図った．ナノカーボンは明確な構造をもつ「分子」として取り扱うことが困難であるために，前世紀の間に培われた有機構造化学的知見を活用し得ない．本研究では，精密有機合成を活用することで構造の明確なナノカーボンモデル分子をつくりだすことに成功し，これをもってナノカーボンの構造化学研究を推進した．筒状分子の幾何学，「分子ベアリング」の構築と挙動解明をはじめとする，構造化学を基盤とする発展研究を遂行した．

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2012-04-01 - 2017-03-31

【配分額】46,800千円 (直接経費: 36,000千円、間接経費: 10,800千円)

【研究分野】ナノ材料・ナノバイオサイエンス

【研究領域課題番号】17201027 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

フラーレンナノウィスカー / フラーレンナノチューブ / フラーレン / カーボン60 / 液-液界面析出法 / ラマン / 液-液法 / リチウムイオン電池 / 燃料電池 / ナノチューブ / 常温合成 / 電極

【研究成果の概要】

フラーレンナノチューブ(FNT)とは、C60やC70などのフラーレン分子からなる中空の単結晶ナノファイバーである。2001年に、本研究代表者は中空でないフラーレン分子から成る多結晶ナノファイバーであるフラーレンナノウィスカー(FNW)を発見した。FNWとFNTは、液-液界面析出法(液-液法)によって常温で合成することができる。FNTの合成は、典型的にはフラーレンのピリジン溶液とイソプロピルアルコールを用いた液-液法によって合成することができるが、再現性に問題があった。しかし、紫外光や可視光で照射したC60飽和ピリジン溶液を用いることによって、C60NTの合成再現性が著しく向上した。しかも、C60NTの収率は、C60NTに照射する光の波長に応じて変化することを発見した。特に、固体C60の吸収が弱い700nm程度の波長の光の照射によって、高い収率でC60NTが合成できることを見出した。C60NTとC70NTは合成したてのものは溶媒を含む六方晶であるが、乾燥により溶媒を失うと面心立方晶に変化することを発見した。面心立法構造のC60結晶においては、C60分子はファン・デル・ワールス結合によって緩く結合しているので、C60NTはトルエンなどの有機溶媒に溶解させて、C60分子を回収し、再利用することが可能となる。C60NTは半導体であり、C60NTを用いた電界効果トランジスタの合成も可能であることを見出した。さらに、多孔質アルミナ基盤を用いて、C60チューブを基盤に垂直に配向成長させる技術の確立に成功した。C60NTは熱処理によって、導電性の多孔質の非晶質カーボンナノチューブに変化することを見出した。熱処理したFNTは、燃料電池やリチウムイオン電池などの電極材料としての用途が期待される。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2005 - 2007

【配分額】42,640千円 (直接経費: 32,800千円、間接経費: 9,840千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】16540309 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ナノチューブ / フラーレン / 分子動力学法 / モデルポテンシャル法 / 密度汎関数法 / 炭素ナノ構造体 / タイトバインディング法

【研究成果の概要】

ナノカーボン系の重要性は、その原子配置を変化させることにより、電子物性、さらには機械的物性が多種多様な系を実現できることにある。しかも、その原子配置の取り得る多様性は、フラーレン系・ナノチューブ系それぞれで、無限種類あるといっても過言ではない。これが、ナノサイエンス・ナノテクノロジーにおいてナノカーボン系が最重要物質群とされ、研究が集中的に行われている理由である。しかし、その多様性こそが、ナノカーボン系に対する統一的な研究手法の確立を困難にしている。即ち、周期系で定義される、いわゆる「ユニットセル(単位胞)」が巨大な系が多いこと、そして、そのために、それぞれの系で、用いることのできる理論手法が異なるからである。
本研究では、炭素系に関して、各種の手法(モデルポテンシャル法、分子動力学法、タイトバインディング法、密度汎関数法等)に対して、全く同一フォーマットのインプットファイル、即ち、「原子配置」をインプットとして統一して用いることのできる総合的な理論研究システムを立ち上げた。通常、各種法において必要となるインプットの多くの部分は、扱う元素の種類に強く依存している。無論、それにより、各種元素からなる化合物の構造予測・物性予測が可能になる。ただ、炭素系に限った計算を実行する、という場合には、そのインプットファイルの多くの部分は、普遍の部分として固定できるものである。即ち、インプットファイルから消去可能である。本研究では、このことを利用して各種理論研究手法のプログラムを炭素系を扱う場合に特化してコーディングし直した。これにより、原子配置からなるインプットファイルによる計算が可能となった。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2004 - 2005

【配分額】3,200千円 (直接経費: 3,200千円)

【研究分野】固体物性Ⅰ(光物性・半導体・誘電体)

【研究領域課題番号】14540295 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

フラーレン / ナノチューブ / ナノエレクトロニクス / 水素吸蔵

【研究成果の概要】

フラーレン・ナノチューブ系は、今世紀の最重要研究領域の一つであるナノサイエンス・ナノテクノロジーにおける中心物質としてその物性研究・応用研究が先進各国で進められている。
本研究課題においても、それらの電子構造・物性・安定性を中心に、多様な側面を理論的に研究し、新たな物性発現の可能性を探っている。本年度は、フラーレンがナノチューブに内包された、いわゆる「ピーポッド」と呼ばれる系のエネルギー論にもとづく安定度を、密度汎関数法により求めた。外枠のナノチューブの直径の関数として、内包時に得られるエネルギー利得を求めることにより、最も安定なピーポッド系のサイズを予測する事に成功した。ピーポッド同様、ナノチューブ内の一次元空間に物質を内包する系の研究において、さらに、下記の成果を得ることができた。
(1)カリウム原子列を内包することにより、新たな伝導バンドがフェルミ準位に出現し、伝導に寄与する。
(2)水素分子、メタン分子の吸着におけるエネルギー利得の予測値を得た。
(1)の成果は、ナノエレクトロニクスにおけるナノチューブ系の新たな可能性を示すものと位置づけられる。また、(2)の成果は、クリーンエネルギーが求められる中、水素エネルギー活用の為の水素吸蔵物質、さらには、燃料電池等への応用が期待されているカーボンナノチューブの基礎的特性を与える成果と位置づけられる。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2002 - 2003

【配分額】3,400千円 (直接経費: 3,400千円)