概要

国立研究開発法人物質・材料研究機構 (NIMS) と大学共同利用機関法人自然科学研究機構 分子科学研究所を中心とした国際共同研究チームは、表面合成に新化学反応を導入することにより、通常は炭素だけで構成されるベンゼン環の一部を周期表同族元素のケイ素で置き換えた2次元の共有結合性有機構造体 (COF) 膜の合成に世界で初めて成功しました。この新しいCOF膜は一般的な化学合成手法ではなく、金属表面上での化学反応を利用することで達成され、表面合成を利用した新規材料開発の可能性を示す結果となりました。

ナノメートルサイズの空孔を持つCOF膜は、電池材料、触媒、更に、小分子の分離など幅の広い応用が期待されています。それらの機能の実現に向け、分子薄膜内の所望の位置に炭素以外の窒素やホウ素などを導入する手法の開発が必要でした。また、人類が使用できる地球表面部分に存在する元素の中で、重量比で二番目に多いケイ素原子 (クラーク数 : 25.8 %) の導入効果に関心が持たれていたものの、ケイ素を導入したCOF膜は実現されていませんでした。これは、周期律表で炭素と同じ14族に分類され最も炭素の特性に近いとされるケイ素が無機化学で扱われ、COF膜合成で利用される有機合成に馴染みのない元素であるという事実も否定できません。

近年、有機合成した小分子を金属の固体表面上で化学反応させて、炭素薄膜やCOF膜を形成する分子合成技術の開拓が注目されています。本成果では、有機合成で小分子にケイ素を導入することなく、金 (111) 表面上に蒸着したケイ素と小分子を直接反応させる新しい分子合成手法を開発、従来技術では作製できなかった「ケイ素を含むCOF膜 (炭素ナノ薄膜) 」の合成に成功しました。

本研究で開発した合成手法を応用すれば、より重い同族元素であるゲルマニウムやスズを含む炭素薄膜の合成も可能となり、炭素と同じ14族元素を含む多様な炭素ナノ薄膜の物性解明も進みます。多様な炭素ナノ薄膜を次世代ナノエレクトロニクスで活用すべく、所望の特性を付与する表面合成技術への展開を目指します。

本研究は 、NIMS先端材料解析研究拠点ナノプローブグループの川井茂樹グループリーダー、Kewei Sun(JSPS外国人特別研究員) 、国際ナノアーキテクトニクス研究拠点の 松本道生 独立研究者、分子科学研究所の解良聡教授、フィンランドAalto大学のAdam S. Foster教授からなる国際共同研究チームにより遂行されました。

本研究成果は、Nature Chemistry誌の2022年11月7日発行号にて掲載されます。

掲載論文

題目 : On-surface synthesis of disilabenzene-bridged covalent organic frameworks
著者 : Kewei Sun, Orlando J. Silveira, Yujing Ma, Yuri Hasegawa, Michio Matsumoto, Satoshi Kera, Ondřej Krejčí, Adam S. Foster, Shigeki Kawai
雑誌 : Nature Chemistry
掲載日時 : 2022年11月7日
DOI : 10.1038/s41557-022-01071-3