界面材料

-Interfacial Materials-

界面の現象を理解することは、洗剤、表面処理剤などの界面材料だけでなく、デバイス材料開発などの最先端材料を開発においても重要になります。我々は、有機分子が基板上に集合・配列を形成するメカニズムの解明や界面現象に及ぼす影響を明らかにするとともに、新規表面改質材料の開発やデバイス応用を目指した研究に取り組んでいます。

研究紹介：固液界面における分子配列形成メカニズムの解明：協同性モデル

原子が基板上に吸着するメカニズムが数多く調査されてきた一方で、二次元分子配列が形成されるメカニズムはあまり調べられてきませんでした。我々は、水素結合のような分子間相互作用が比較的強く働く分子を設計し、その分子配列形成メカニズムを走査型トンネル顕微鏡（STM）によって調べました。その結果、平衡状態ではある一定濃度で急激な分子配列の被覆率増加が起こるといった興味深い挙動が確認されました。この挙動を従来のLangmuir型吸着モデルで説明しようと試みたところ、再現することができませんでした。これはLangmuir型吸着モデルでは、吸着した物質同士の相互作用が働かないことが前提条件として組み込まれているためです。実際に観測されるSTM像には、明確な分子間相互作用によって規則正しい分子配列を形成する様子が映し出されています。そこで、我々は基板に吸着した分子が「核」となり、分子間相互作用によって「伸長（核成長）」する協同性モデルを分子配列形成メカニズムに取り入れました。その結果、この被覆率変化を再現することができ、基板上の分子配列は分子間相互作用によって成長するということを世界で初めて証明することに成功しました（Chem. Commun. 2015）。

このモデルには核形成と伸長の二つの平衡定数が組み込まれているため、伸長の平衡定数では、いわゆる分子間相互作用にあたるといえます。実際に、アルキル鎖長と伸長平衡定数の間には明確な相関が確認され、分子配列内の相互作用の定量化にも成功しています（Chem. Eur. J. 2015）。

加えて、この協同的組織化を利用して、光反応を利用した高感度な分子配列スイッチングにも成功しました。

なお、本研究は京都大学松田研究室（当時博士後期課程）で実施した内容になります。