研究紹介

研究概要
「有機合成を始点とした、分子集合体の機能開拓」

1つの分子が発現する機能は多様であり、分子が示す光・電子機能性、生理活性などに基づき、エレクトロニクス・材料・医薬など広範な分野での応用に供されています。一方、複数の分子が集合すると、それぞれの分子に起因する機能だけでなく、異種分子間の相互作用により、単一の分子では実現できない新たな機能発現が期待できます。

我々の研究室では、ナノメートル領域で複数の分子が集合した“ナノアセンブリ”に着目し研究を進めています。分子の自己組織化過程を設計・制御することで新奇な ナノアセンブリ構造を実現し、さらに集合体における共同現象を積極的に利用することで、単一分子では達成できない機能の発現を目指します。

我々の手で合成した分子集合体の構造と機能の相関を詳細に検討し、次代を担う新奇材料を開拓することが、我々の研究目標です。

研究内容

「超分子ローター構造を含む伝導体・磁性体・誘電体の開発」

あたかも磁石のように機能する有機分子集合体、記憶装置のようにふるまう分子集合体・・・通常、こういった分子が集合する際には最密重点構造を取るために、分子の持つ機能を十分に示さないことが多くあります。

　我々の研究室では、「超分子化学」の手法を用いる事で、物質の機能を引き出す上で理想的な分子配列を持つ分子集合体を生み出してきました。その中でも、分子の軸回転によって結晶全体の分極が反転し、メモリ特性のひとつである「強誘電性」を持つ結晶の作製に成功しました。これは、生体分子系で見られる分子モーターの動きを模倣した「flip-flop 超分子ローター型強誘電体」として世界中から注目されました。

　さらに「超分子化学」の手法を進展させ、磁石の特性（強磁性）と強誘電性のように、様々な機能を結晶一粒に複合化させた「多重機能性分子集合体」の合成や、生物分子のように一方向だけに回転する「人工分子モーター」の開発、新規な分子ローター構造の設計とその機能開拓を目指して、研究を行っています。

  • T. Akutagawa, H. Koshinaka, D. Sato, S. Takeda, S. Noro, H. Takahashi, R. Kumai, Y. Tokura, T. Nakamura "Ferroelectricity and polarity control in solid state flip-flop supramolecular rotators" Nature Mater. 2009, 8, 342-347 (DOI: 10.1038/nmat2377).
  • T. Akutagawa, T. Nakamura "Supramolecular approach for solid state Brownian rotators" Dalton Trans. 2008, 6335-6345 (DOI: 10.1039/b808748b)
  • T. Akutagawa, K. Shitagami, S. Nishihara, S. Takeda, T. Hasegawa, T. Nakamura, Y. Hosokoshi, K. Inoue, S. Ikeuchi, Y. Miyazaki, K. Saito "Molecular Rotor of Cs2([18]crown-6)3 in the Solid State Coupled with the Magnetism of [Ni(dmit)2]" J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 4397-4402 (DOI: 10.1021/ja043527a).

「混合原子価ポリオキソメタレートを用いた新規電子材料の開発」

微細化が進むエレクトロニクスデバイスとして「分子サイズ」でのデバイス構築は大きな目標のひとつといえます。我々は分子サイズのエレクトロニクスを開拓する物質として、分子性金属酸化物であるポリオキソメタレート（POMs）に着目しています。POMsはモリブデン酸、タングステン酸などの脱水縮合により形成する金属酸化物のクラスターであり、有機合成と同様の手法で構造体を設計できる上に、有機カチオンとの複合化が可能です。また、ナノスケールで構造が正確に決まっているのが特徴です。

POMsを構成する遷移金属イオンは混合原子価状態で存在し、バルク金属酸化物のようにクラスター内で電子やスピンが動き回っていると考えられます。また、一つのクラスター内に多数の遷移金属イオンを含むことから、たくさんの電子を貯蔵することが可能な多段階電子貯蔵物質（電池）としても興味が持たれます。

この様な合成クラスターを対象として、磁性金属イオンや有機分子との複合化により新規物質の探索を行っています。

  • J. Xiong, K. Kubo, S. Noro, T. Akutagawa, T. Nakamura “Supramolecular cations of　(m-halogenated-anilinium)　(dibenzo[18]crown-6) in Keggin [SMo12O402-] polyoxometallates” CrystEngComm 2015, 17, 856-861 (DOI: 10.1039/c4ce01988a).
  • S. Noro, R. Tsunashima, Y. Kamiya, K. Uemura, H. Kita, L. Cronin, T. Akutagawa, T. Nakamura "Adsorption and Catatytic Properties of the Inner Nanospace of a Gigantic Ring-Shaped Polyoxometalate Cluster" Angew. Chem., Int. Ed. 2009, 48, 8703-8706. (DOI: 10.1002/anie.200903142)
  • H. Imai, T. Akutagawa, F. Kudo, M. Ito, K. Toyoda, S. Noro, L. Cronin, T. Nakamura "Structure, Magnetism, and Ionic Conductivity of the Gigantic {Mo176}-Wheel Assembly: Na15Fe3Co16[Mo176O528(H2O)80]Cl27.450H2O" J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 13578-13579 (DOI: 10.1021/ja9048042).

「水素結合を利用した分子性電子材料の開発」

生物の物質伝達・エネルギー生成など、生物の動きを制御するために、プロトン（H+）が重要な役割を果たしています。一方でプロトンの動きは、生物だけでなく物質の機能においても重要な役割を果たしています。固体物質内部でのプロトンの移動を制御することで、燃料電池の動作原理であるプロトン伝導、メモリ機能のひとつである強誘電性を実現可能です。

このような背景から、分子集合体内に水素結合性の機能ユニット（置換基）を導入し、新規な電子物性制御系を開発しています。これまで、結晶中における水素結合鎖に沿ったプロトンの温度変化によるプロトン移動現象を利用した誘電相転移システムを作成してきました。重水素置換により、その相転移温度は大きく変化します。

一連の研究を基にして、新規な電子－プロトン連動系の開発を目指します。

  • H.-Y. Ye, Y. Zhang, S. Noro, K. Kubo, M. Yoshitake, Z.-Q. Liu, H.-L. Cai, D.-W. Fu, H. Yoshikawa, K. Awaga, R.-G. Xiong, T. Nakamura "Molecular-displacive ferroelectricity in organic supramolecular solids" Sci. Rep. (Nature Publishing Group) 2013, 3, 2249 (DOI: 10/1038/srep02249).
  • T. Akutagawa, S. Takeda T. Hasegawa,T. Nakamura, "Proton Transfer and a Dielectric Phase Transition in the Molecular Conductor (HDABCO+)2(TCNQ)3" J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 291-294 (DOI: 10.1021/ja0377697).

論文投稿の関係から、詳しくは説明できない研究内容も存在します。これらの研究に興味のある方は電話またはe-mailで気軽にお問合せください。また、研究室訪問も大歓迎です。

中村貴義　教授　Tel: 011-706-9417,

E-mail: tnaka [at] es.hokudai.ac.jp

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