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3次元多孔性材料で規則配列したナノ結晶薄膜の成長に成功

機能集積ナノデバイスへの応用に期待

公益財団法人高輝度光科学研究センター
国立大学法人京都大学        
独立行政法人物質・材料研究機構

高輝度光科学研究センター、京都大学、物質・材料研究機構の共同研究グループは、3次元的に頑丈な多孔性配位高分子を特定の方向に配列 (配向) させたナノメートルオーダーの膜厚を有する結晶薄膜の作製に成功し、この薄膜が可逆的なガス吸脱着反応の機能を有することを確認した。

概要

高輝度光科学研究センター (JASRI) 、京都大学、物質・材料研究機構の共同研究グループは、3次元的に頑丈な多孔性配位高分子 (Porous Coordination Polymer : 以下、PCP) を特定の方向に配列 (配向) させたナノメートルオーダーの膜厚を有する結晶薄膜の作製に成功し、この薄膜が可逆的なガス吸脱着反応の機能を有することを確認しました。
高いガス吸着特性と高い規則性 (結晶性) を有するPCPは、ガス分子の高効率分離・濃縮機能や空孔内部での反応など様々な機能が期待できるため、異なる機能を持ったPCPを集積することで、高効率な燃料電池など、様々なエネルギー関連素子を作製することが可能となります。このような素子構築には、異種PCPを密着して集積するために、複数のPCP膜の結晶の向きをそろえて作製 (配向成長) することが必要不可欠です。しかし、これまでは平面的に剛直なPCP以外での配向成長には成功しておらず、機能の多様性と作製した素子の耐久性、集積時の異種PCP間の密着性を実現するためには、3次元方向に剛直なPCPの結晶を配向成長させる技術の実現が切望されていました。
今回、本研究グループは、配向成長に適切な基板とその表面加工、3次元方向に剛直性を示しながらも成長方向が制御できる骨格形成材料を選ぶことで、配向成長した3次元PCPのナノ薄膜作製に成功しました。また、このナノ薄膜において、可逆的なガスの吸脱着反応が起こることに加え、骨格構造の変化を伴わずに吸脱着反応がおこなわれるといった剛直性を確認しました。これらナノ薄膜の配向成長や吸脱着時の構造変化は、大型放射光施設SPring-8の高輝度X線による精密な回折実験により初めて確認できたものです。
この研究成果は、異なる機能を持ったPCPを集積した新たな機能素子を作製する基盤技術となるため、ナノ薄膜での機能素子の研究開発が大きく加速され、燃料電池の高性能化などへの応用が期待されます。
本研究は、科学技術振興機構 (JST) 戦略的創造研究推進事業 チーム型研究 (CREST) の研究領域「ナノ界面技術の基盤構築」における研究課題「錯体プロトニクスの創成と集積機能ナノ界面システムの開発」 (研究代表者 : 北川 宏) の一環として、また大型放射光施設SPring-8の利用研究課題として行われたものです。
本研究成果に関する原著論文は、米国科学雑誌「Journal of the American Chemical Society」の6月13日号に掲載されました。

「プレス資料中の図3 : 結晶配向性3次元多孔性配位高分子ナノ薄膜のXRDプロファイル(a) 基板面に平行方向の情報を含むin-plane (面内) 配置、(b)基板面に垂直方向の情報を含むout-of-plane (面外) 配置におけるXRDプロファイル (青丸 : 実験結果、赤線 : 実験結果のフィッティング、緑線 : シミュレーション結果、十字 : 実験結果における回折線のピーク位置、挿入図左 : 測定配置の模式図、挿入図右 : 各プロファイルから得られる高分子の周期構造) 。各プロファイルにおいてそれぞれ独立な回折線が観測されており、得られた薄膜は面内方向、面外方向共に結晶性であることが分かりました。また、バルク構造から求められるシミュレーション(緑線)と本実験で観測されるプロファイル(青丸)は非常によく一致しています。つまり、in-planeで観測されるピークは2次元レイヤー内の周期性のみを反映し (a)、一方のout-of-planeで観測されるピークは柱となるピラジンを介した2次元レイヤー間の周期性のみを反映している (b)ことから、完全な結晶配向性を有していることが明らかとなりました。」の画像

プレス資料中の図3 : 結晶配向性3次元多孔性配位高分子ナノ薄膜のXRDプロファイル
(a) 基板面に平行方向の情報を含むin-plane (面内) 配置、(b)基板面に垂直方向の情報を含むout-of-plane (面外) 配置におけるXRDプロファイル (青丸 : 実験結果、赤線 : 実験結果のフィッティング、緑線 : シミュレーション結果、十字 : 実験結果における回折線のピーク位置、挿入図左 : 測定配置の模式図、挿入図右 : 各プロファイルから得られる高分子の周期構造) 。各プロファイルにおいてそれぞれ独立な回折線が観測されており、得られた薄膜は面内方向、面外方向共に結晶性であることが分かりました。また、バルク構造から求められるシミュレーション(緑線)と本実験で観測されるプロファイル(青丸)は非常によく一致しています。つまり、in-planeで観測されるピークは2次元レイヤー内の周期性のみを反映し (a)、一方のout-of-planeで観測されるピークは柱となるピラジンを介した2次元レイヤー間の周期性のみを反映している (b)ことから、完全な結晶配向性を有していることが明らかとなりました。




お問い合わせ先

研究内容に関すること
坂田 修身 (さかた おさみ)
公益財団法人高輝度光科学研究センター
利用研究促進部門 客員研究員
独立行政法人物質・材料研究機構
中核機能部門 高輝度放射光ステーション 
ステーション長
〒679-5148 兵庫県佐用郡佐用町光都1 - 1 - 1
TEL&Fax:0791-58-1970
E-Mail: SAKATA.Osami=nims.go.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
藤原 明比古 (ふじわら あきひこ)
公益財団法人高輝度光科学研究センター
利用研究促進部門
主席研究員
〒679-5148 兵庫県佐用郡佐用町光都1 - 1 - 1
TEL:0791-58-2750
FAX:0791-58-0830
E-Mail: fujiwara=spring8.or.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
大坪 主弥 (おおつぼ かずや)
国立大学法人京都大学 大学院理学研究科
ナノ物質化学特別講座 特定助教
〒606-8502京都市左京区北白川追分町
TEL&Fax: 075-753-4037
E-Mail: kazuya=kuchem.kyoto-u.ac.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
北川 宏 (きたがわ ひろし)
国立大学法人京都大学 大学院理学研究科
化学専攻 教授
〒606-8502京都市左京区北白川追分町
TEL&FAX: 075-753-4035
E-Mail: kitagawa=kuchem.kyoto-u.ac.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
SPring-8に関すること
公益財団法人高輝度光科学研究センター 広報室
TEL:0791-58-2785
FAX:0791-58-2786
E-Mail: kouhou=spring8.or.jp
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報道担当
国立大学法人京都大学
渉外部広報・社会連携推進室
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E-Mail: kohho52=mail2.adm.kyoto-u.ac.jp
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独立行政法人物質・材料研究機構 
企画部門広報室
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