走査型トンネル顕微鏡の探針で単分子ごとに作り分ける

~磁性分子から量子マテリアルへの新展開~

2023.12.13

国立研究開発法人物質・材料研究機構 (NIMS)
国立大学法人大阪大学
国立大学法人金沢大学

NIMSと大阪大学大学院理学研究科、金沢大学ナノ生命科学研究所 (WPI-NanoLSI) を中心とした国際共同研究チームは、走査型トンネル顕微鏡の探針を用いて単分子の構造を変化させ、キラリティーの制御と不対電子が二つあるジラジカルの合成を世界で初めて実現しました。

概要

  1. NIMSと大阪大学大学院理学研究科、金沢大学ナノ生命科学研究所 (WPI-NanoLSI) を中心とした国際共同研究チームは、走査型トンネル顕微鏡の探針を用いて単分子の構造を変化させ、キラリティー (右手と左手のように鏡像が重なり合わない性質) の制御と不対電子 (対になっていない電子で、対になった電子よりも通常反応性が高い) が二つあるジラジカルの合成を世界で初めて実現しました。
  2. 今までの有機合成では、一つの分子ユニットごとのキラリティーの制御や極めて反応性の高いジラジカルの合成は困難でした。また、ジラジカルの電気特性や磁性に関する研究はあまり進んでいませんでした。そのため、単分子レベルの構造を制御できる超精密な化学反応技術の開発が望まれていました。
  3. 今回、研究チームは、極低温かつ超高真空下で動作する走査型トンネル顕微鏡の探針を用いて、三次元のナノ構造体中にある特定の分子ユニットをトンネル電流で励起させ、その分子の構造を任意に変化させる単分子レベルの反応技術を開発しました。トンネル電流を注入する単分子内の部位や位置、更に、その時の電圧などの反応パラメーターを精密に制御することにより二つのキラリティー構造とジラジカルの合計三つの構造を作り分けました。その高い制御性を示す目的で、バイナリーやターナリーのアスキーコードを用いて当グループの名称である (“NanoProbe GRP. NIMS©“) の記録に成功しました。
  4. 今後、この成果をより発展させ、単分子をボトムアップで合成し、新奇ナノ炭素構造体の実現を目指していきます。また、ジラジカルのユニットにはそのスピン状態に対応した交換相互作用が発生するため、プローブ顕微鏡の探針下で動作する究極的な量子マテリアルへの展開も期待できます。
  5. 本研究は、NIMSマテリアル基盤研究センターナノプローブグループ川井茂樹グループリーダー、Yuan Zhangyu NIMSジュニア研究員、Kewei Sun ICYS研究員、Oscar Custance上席研究員、大阪大学大学院理学研究科化学専攻久保孝史教授、金沢大学ナノ生命科学研究所/Aalto University Adam S. Foster教授からなる研究チームによって、JSPS科研費22H00285の一環として行われました。
  6. 本研究成果は、Nature Communications誌の2023年11月25日発行号 (Vol. 14) にて掲載されました。

「プレスリリース中の図: 作り分けた2つの分子の構造を0と1に見なして、アスキーコードで記録した文字列。」の画像

プレスリリース中の図: 作り分けた2つの分子の構造を0と1に見なして、アスキーコードで記録した文字列。

掲載論文

題目 : Local Probe-Induced Structural Isomerization in a One-Dimensional Molecular Array
著者 : Shigeki Kawai, Orlando J. Silveira, Lauri Kurki, Zhangyu Yuan, Tomohiko Nishiuchi, Takuya Kodama, Kewei Sun, Oscar Custance, Jose L. Lado, Takashi Kubo, Adam S. Foster
雑誌 : Nature Communications
掲載日時 : 2023年11月25日オンライン掲載 (日本時間)
DOI : 10.1038/s41467-023-43659-4

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(研究内容に関すること)

NIMS マテリアル基盤研究センター 先端解析分野　ナノプローブグループ
グループリーダー
川井 茂樹 (かわい しげき)
TEL: 029-859-2751
E-Mail: KAWAI.Shigeki=nims.go.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)

(報道・広報に関すること)

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〒305-0047　茨城県つくば市千現1-2-1
TEL: 029-859-2026
FAX: 029-859-2017
E-Mail: pressrelease=ml.nims.go.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
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TEL: 06-6850-5280
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