大型放射光施設 SPring-8

公開日

2020年11月04日

2020年11月4日
東北大学 大学院工学研究科
東北大学 多元物質科学研究所

【発表のポイント】
● アクリル樹脂など汎用高分子材料の表面に金属有機構造体（MOF）の薄膜を成長させることに成功
● 室温・大気下で二種類の溶液に交互に基板を浸す、極めて簡易な方法でMOF薄膜が作製可能
● MOFを薄膜として得たことによって電子素子への応用展開が可能になる
● 多孔性を活かした機能材料開発への波及効果が期待される

【詳細な説明】
　活性炭や珪藻土、シリカゲルなどに代表される「多孔質材料」は、微細な大きさの空孔を持つ材料で、様々な物質を吸着しやすい性質を持ちます。これを活かして、家庭では脱臭剤や乾燥剤、また工業的には物質の分離など幅広い応用が行われています。多孔質材料の多くは無機物ですが、最近では、無機物と有機物を組み合わせた、「有機―無機ハイブリッド材料」^（注2）からなる多孔質材料も開発されています。その代表例に「金属有機構造体（MOF）」が挙げられます。MOFは金属イオンと有機分子がジャングルジムのように規則的に結合した物質で、内部に規則的なナノメートルサイズの空孔を持っています。また、数多くの金属と有機分子の組み合わせでMOFを組み上げることができ、自在な構造を設計・合成できる点も特徴です。

　これまでMOFの多くは粉末として得られてきました。これはMOFを合成する際に、原料となる金属イオンと有機分子を含む二種類の溶液を直接混合していたためです。この手法は簡便かつ大量のMOF粉末を合成するのに適した方法であり、この手法を使ってMOFの研究は飛躍的に進んできました。しかし、例えば「プラスチックの表面をMOFの薄い膜でコーティングしたい」など、「MOFを粉ではなく膜として作りたい」場面では利用しにくい手法でした。

　そこで本研究グループは、高分子の薄膜を得るのに使われる交互吸着法^（注3）に注目し、この手法がMOF薄膜の作製に適用できないか検討しました。交互吸着法は基板を別々の二種類の溶液に交互に浸漬することで、基板表面に分子レベルの極めて薄い膜を連続的に作製できる手法です。本研究では、金属イオンの溶液と有機分子の溶液の二種類の溶液をそれぞれ用意し、これらに基板を交互に浸漬してMOF薄膜の作製を試みました。基板の材料としては、家庭でも用いられる一般的な高分子材料を四種類選びました。得られたMOF薄膜の構造を大放射光施設SPring-8^（注4）を利用して分析した結果、高分子材料の極性^（注5）に応じて異なる構造のMOF薄膜が得られることが分かりました。具体的には極性の低いポリスチレン^（注6）の表面にはMOF膜はあまり成長しませんでしたが、極性の高いアクリル樹脂^（注7）や、ポリビニルアルコール^（注8）、ナイロン^（注9）の表面にはMOF膜を規則的に成長させることができました。さらに、MOFが薄膜として得られたことで電子機能素子への利用の道が拓けました。例として、本研究では活性層としてMOF薄膜を組み込んだ抵抗変化スイッチ^（注10）を動作させることに成功しました。今後はMOF膜の成長原理のさらなる解明に向けた基礎研究と、電子素子への展開に向けた応用研究の両面から研究展開が期待されます。

【用語解説】

【付記】 本研究は、科研費若手研究B (26810111)、科研費基盤研究B (16H04197)、東北大学多元物質科学研究所プロジェクト、村田学術振興財団、物質・デバイス領域共同研究拠点の支援を受けました。