研究
藤ヶ谷研究室では、高分子化学、超分子化学、理論化学、有機化学を統合し、革新的なナノ材料の開発に取り組んでいます。光吸収、発光特性、イオン・電子電導性、生体適合性などを有する秀逸なナノ材料を目指し、分子立体構造や電子構造、分子間相互作用を戦略的に考え、機能創製に向けデザインします。また実験的な検討のみならず、既存のデータから最適解を予測するデータサイエンスの観点からもアプローチしていきます。こうした取り組みを通じて、各分野の学理を追求すると同時に、社会実装可能な次世代エネルギー材料開発を目指します。藤ヶ谷研究室で現在進行中の主な研究内容を下記に紹介します。
Project 1 : 次世代電池材料の開発
エレクトロニクス全盛の現代社会においてエネルギーといえば電気のことを意味すると言っても過言ではないでしょう。従ってエネルギーデバイスでは「電極」が必須となります。カーボン材料は電気化学安定性、電気伝導性、機械的強度、物質拡散に有利なメッシュ構造をもつため「電極」として理想的な素材です。ただしカーボン材料を自由に使いこなすためにはそれなりのノウハウが必要となります。ここで私たちの技術の神髄があります。最近の研究はこちら！
参考文献
[1] D. Wu, N. Kayo, S. M. Jayawickrama, Y. K. Phua, N. Tanaka, T. Fujigaya, “Effect of Alcohol Content on the Ionomer Adsorption of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Catalysts”, Int. J. Hydrogen. Energy 48, 5915-5928 (2023).
[2] Y. Motoishi, N. Tanaka, T. Fujigaya, "Postmodification of highly delocalized cations in an azide-based polymer via copper-catalyzed cycloaddition for anion exchange membranes", Polymer J. 55, 171-180 (2023).
[3] Y. K. Phua, D. Weerathunga, D. Wu, C. Kim, S. M. Jayawickrama, N. Tanaka, T. Fujigaya, "Effect of Surface Roughness of Carbon Nanotube-based Catalyst Layer for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Performance", Sustainable Energy & Fuels 6, 4636-4644 (2022).
[4] D. Wu, S. M. Jayawickrama, N. Tanaka, T. Fujigaya, "Effect of Polymer-coating on Acetylene Black for Durability of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell", J. Power Sources 549, 232079 (2022).
[5] S. M. Jayawickrama, D. Wu, R. Nakayama, S. Ishikawa, X. Liu, G. Inoue, T. Fujigaya, "Effect of a Polybenzimidazole Coating on Carbon Supports for Ionomer Content Optimization in Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells", J. Power Source 496, 229855 (2021).
Project 2 : CNTナノバイオテクノロジーへの挑戦
CNTはアスベストに似ているので毒性がある、という認識が広がっていますが、どんな物質も摂取の仕方次第では毒になるものです。CNTには生体透過性に優れる「近赤外光」を吸収できる稀有な物質で、この性質を利用した生体応用の研究が進んでいます。最近の研究はこちら！
参考文献
[1] S. S. Y. Law, G. Liou, Y. Nagai, J. Giménez-Dejoz, A. Tateishi, K. Tsuchiya, Y. Kodama, T. Fujigaya, K. Numata, "Polymer-coated carbon nanotube hybrids with functional peptides for gene delivery into plant mitochondria", Nature Commun. 13, 2417 (2022).
[2] Y. Nagai, K. Nakamura, J. Ohno, M. Kawauchi, T. Fujigaya, "Antibody-Conjugated Gel-Coated Single-Walled Carbon Nanotubes as Photothermal Agents" ACS Appl. Bio Mater. 4, 5049 (2021).
[3] Y. Nagai, K. Nakamura, M. Yudasaka, T. Shiraki, T. Fujigaya, "Radical Polymer Grafting on the Surface of Single-walled Carbon Nanotubes Enhances Photoluminescence in the Near Infrared: Implications for Bioimaging and Biosensing" ACS Appl. Nano Mater. 3, 8840 (2021).
[4] Y. Nagai, M. Yudasaka, H. Kataura, T. Fujigaya, "Brightening of Near-IR Emission from Single-walled Carbon Nanotubes by Modifying the Chemical Structure of Cross-linked Polymer Coating", Chem. Commun. 55, 6854 (2019).
[5]Y. Nagai, Y. Tsutsumi, N. Nakashima, T. Fujigaya, “Synthesis of Single-walled Carbon Nanotubes Coated with Thiol-reactive Gel via Emulsion Polymerization", J. Am. Chem. Soc. 140, 8544-8550 (2018).
Project 3 : フレキシブル熱電発電シートの開発
我々は、単層カーボンナノチューブ（SWCNT）を素材とした世界最高の変換効率と耐久性を有する熱電変換シートの開発を目的としています。用いるCNTの直径や電気的性質を選択することで、高いゼーベック係数を達成し、安定なドープを実現する機構を突き止めることで、高耐久性を目指します。またSWCNTの接点の理解と制御に着目し、実測データと連動しながら、巨大モデリングを構築することで、高効率化を目指します。最近の研究はこちら！
参考文献
[1] N. Tanaka, T. Ishii, I. Yamaguchi, A. Hamasuna, T. Fujigaya, “Photoinduced electron doping of single-walled carbon nanotubes based on carboxamide photochemical reactions”, J. Mater. Chem. A 11, 6909-6917 (2023).
[2] B. Angana, W. Huang, T. Ishii, R. Yamaguchi, E. Honjo, N. Tanaka, T. Fujigaya, "Comparison of thermoelectric properties of sorted and unsorted semiconducting single-walled carbon nanotube free-standing sheets", Jpn. J. Appl. Phys. 61,121004 (2022).
[3] N. Tanaka, A. Hamasuna, T. Uchida, R. Yamaguchi, T. Ishii, A. Staylkov, T. Fujigaya, "Electron doping of single-walled carbon nanotubes using pyridine-boryl radicals" Chem. Commun. 57, 6019-6022 (2021).
[4] R. Yamaguchi, T. Ishii, M. Matsumoto, B. Angana, N. Tanaka, K. Oda, M. Tomita, T. Watanabe, T. Fujigaya, "Thermal Deposition Method for p-n Patterning of Carbon Nanotube Sheets for Planar-type Thermoelectric Generator", J. Mater. Chem. 9, 12188 (2021).
[5] M. Matsumoto, K. Shima, R. Yamaguchi, M. Mukaide, M. Tomita, T. Ishida, T. Watanabe, T. Fujigaya, "Control of anisotropic conduction of carbon nanotube sheets and their use as planar-type thermoelectric conversion materials", STAM 22, 272 (2021).
Project 4 : 近赤外発光の超分子制御
半導体性の単層カーボンナノチューブ (SWCNT) の示す近赤外発光は、バイオイメージングや通信分野などにおいて有用とされています。しかしその量子収率は1%未満と低く、発光波長もグラフェンシートの巻き方（カイラリティ）によって固定されてしまうという問題があります。これに対し、SWCNT表面に極少量の分子を化学修飾することで、発光特性を大幅に向上させることのできる「局所化学修飾」という手法があります。我々は、この局所化学修飾 SWCNT (lf-SWCNT) の発光が修飾する分子の構造・機能に大きく影響を受ける点に着目し、有機合成化学や超分子化学を駆使することで分子の化学に立脚した lf-SWCNT の新たな近赤外発光機能創出や励起子エンジニアリング技術開発を目指しています。最近の研究はこちら！
参考文献
[1] T. Shiraki, R. Saito, H. Saeki, N. Tanaka, K. Harano, T. Fujigaya, “Defect Photoluminescence from Alkylated Boron Nitride Nanotubes”, Chem. Lett. 52, 44-47 (2023).
[2] B. Yu, S. Naka, H. Aoki, K. Kato, D. Yamashita, S. Fujii, Y. Kato, T. Fujigaya, T. Shiraki, “ortho-Substituted Aryldiazonium Design for the Defect Configuration-Controlled Photoluminescent Functionalization of Chiral Single-Walled Carbon Nanotubes”, ACS. Nano 16, 21452-21461 (2022).
[3] K. Hayashi, Y. Niidome, T. Shiga, B. Yu, Y. Nakagawa, D. Janas, T. Fujigaya, T. Shiraki, "Azide modification of single-walled carbon nanotubes for near-infrared defect photoluminescence by luminescent sp2 defect formation", Chem. Commun. 58, 11422-11425 (2022).
[4] Y. Niidome, R. Wakabayashi, M. Goto, T. Fujigaya, T. Shiraki, "Protein-structure-dependent spectral shifts of near-infrared photoluminescence from locally functionalized single-walled carbon nanotubes based on avidin–biotin interactions", Nanoscale 14, 13090-13097 (2022).
[5] Y. Nakagawa, B. Yu, Y. Niidome, K. Hayashi, A. Staykov, M. Yamada, T. Nakashima, T. Kawai, T. Fujigaya, T. Shiraki "Photoisomerization of Covalently-attached Diarylethene on Locally Functionalized Single-walled Carbon Nanotubes for Photoinduced Wavelength Switching of Near Infrared Photoluminescence", J. Phys. Chem. C 126, 10478 (2022).
Project 5 : マテリアルズ・インフォマティクス
近年発展の目覚ましいデータ科学・機械学習ですが、化学・材料の世界でもその力を発揮しつつあります。化学・材料とデータ科学の融合領域は”マテリアルズ・インフォマティクス”と呼ばれ、現在最もホットな研究分野の1つです。当グループでは、文献からデータを抽出したり、「富岳」やITO（九大スパコン）を用いたシミュレーションデータを活用して、新たな材料の探索やそのための手法の開発を進めています。高分子材料、創薬、界面化学など、様々な分野での研究に取り組んでいます。最近の研究はこちら！
参考文献
[1] K. Fukuzawa, K. Kato, C. Watanabe, Y. Kawashima, Y. Handa, A. Yamamoto, K. Watanabe, T. Ohyama, K. Kamisaka, D. Takaya, and T. Honma, "Special Features of COVID-19 in the FMODB: Fragment Molecular Orbital Calculations and Interaction Energy Analysis of SARS-CoV-2-Related Proteins", J. Chem. Inf. Model. 61, 4594-4612 (2021).
[2] K. Kato, Y. Maekawa, N. Watanabe, K. Sasaoka, T. Yamamoto, "Discovery of new microscopic structures in surface water on graphene using data science", Jpn. J. Appl. Phys. 59, 025001 (2020).
[3] K. Kato, T. Masuda, C. Watanabe, N. Miyagawa, H. Mizouchi, S. Nagase, K. Kamisaka, K. Oshima, S. Ono, H. Ueda, A. Tokuhisa, R. Kanada, M. Ohta, M. Ikeguchi, Y. Okuno, K. Fukuzawa, T. Honma, "High-Precision Atomic Charge Prediction for Protein Systems Using Fragment Molecular Orbital Calculation and Machine Learning", J. Chem. Inf. Model. 60, 3361–3368 (2020).
[4] K. Kato, T. Honma, K. Fukuzawa, “Intermolecular interaction among Remdesivir, RNA and RNA-dependent RNA polymerase of SARS-CoV-2 analyzed by fragment molecular orbital calculation", J. Mol. Graph. Model. 100, 107695 (2020).