大型放射光施設 SPring-8

公開日

2021年03月10日

2021年3月10日
東京大学

発表のポイント：
◆ 炭素膜二枚をずらして重ねることで生じる「モアレ（ずれの周期性）」は超伝導物質などの材料科学分野で注目されています。本研究では、この「モアレ」を「ナノカーボン分子」で実現することに世界ではじめて成功しました。
◆ 数種類の組み合わせが想定されるずらした構造のうち、特定の二層膜構造が選択的に得られることを発見しました。
◆ 明確で一義的な構造をもつカーボンナノチューブ分子を用いたことで、定説とは異なる選択性が生じることが明らかとなりました。長い二層型カーボンナノチューブの研究からは知り得なかった事実です。

発表内容：
　炭素原子の六角形が平面状に並んだ層状構造は、古くは黒鉛（グラファイト）としてのみ知られていました。２０世紀末からナノメートルサイズの構造をもつ炭素がナノカーボン^（注1）として登場し、その独特の形状・性状から新しい材料として期待されています。ごく最近、炭素の層状構造を二層重ねる際には、「ずれた配置」をとり得ることに注目が集まってきました（図1）。このずれた重ね合わせ「不整合組み合わせ」と、そこから生まれる新しい大きな繰り返し模様「モアレ（ずれの周期性）」からは、超伝導などの新しい性質をもたらすことが見いだされています。近年、ナノカーボンの物理学や材料科学の分野を中心に、広く注目を集めている研究課題で、その代表的な例は、二層型グラフェンや二層型カーボンナノチューブです。 ところが、これまでのナノカーボンのモアレは、一つの明確な分子構造をもつ例がなく、分子の世界の言葉「化学」を用いた理解にまでは至っていませんでした。例えば、二層型カーボンナノチューブのモアレではさまざまな組み合わせが可能ですが、可能な組み合わせのうち、どのような構造が安定となるのかなどについては、推定や提唱はあるものの、確たる証拠や結果は得られていませんでした。 今回、研究グループは、カーボンナノチューブの部分構造をもったナノカーボン分子を、大小二種類の筒状分子として設計し、化学合成しました。そして、この二つの筒状分子を混ぜたところ、自発的に二層型カーボンナノチューブ分子が組み上がりました。一義的に構造の決まった「分子性物質^（注2）」として「モアレ」を登場させたはじめての例です（図2）。 大きな発見は、二層型カーボンナノチューブ分子の組み上げの際、特定の組み合わせ構造が好まれて生成する「選択性」があったことです。今回の研究の筒状分子は、いずれも「らせん型カーボンナノチューブ分子^（注3）」であり、それぞれに右巻きと左巻きという種類が存在しました。このため、二層型カーボンナノチューブ分子の組み上げの際には、「右巻き同士／左巻き同士」と「右巻きと左巻き」の２組、合計４種類の組み合わせが生じ得るはずです。ところが実験的には「右巻きと左巻き」の「異なるらせんをもつ組み合わせ」のみが得られたのです（図3,4）。またこの二層型カーボンナノチューブ分子では、層間での電子的な相互作用があることが見いだされており、モアレによる物性制御が可能となることが示唆されました。先行研究では、電子顕微鏡の観察結果により「同じらせんをもつ組み合わせの二層型カーボンナノチューブが安定であろう」という提唱がなされていましたが、本成果はその定説を覆すものとなります。 本成果は、長い二層型カーボンナノチューブの研究からは解き明かせなかった特性を明確にするとともに、不整合性による「モアレ」が分子を用いて設計・合成できることをはじめて明示したものです。今回の研究成果は、「モアレの分子設計」という新しい研究課題の登場を示すものであり、こうした新研究が活発となれば、将来、機能性材料の基盤となる可能性があります。今後の炭素材料の発展に、重要な基礎的知見となることが期待されます。 本研究は、科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業総括実施型研究（ERATO）「磯部縮退π集積プロジェクト」および科学研究費助成事業の一環として進められました。X線回折による分子構造決定には、一部、大型放射光施設SPring-8^（注4）の最先端設備が活用されています。

研究者の氏名・所属：
松野 太輔（まつの たいすけ） ：東京大学大学院理学系研究科 助教
大友 雄太郎（おおとも ゆうたろう） ：東京大学大学院理学系研究科 大学院生（研究当時）
染谷 真希（そめや まき） ：東京大学大学院理学系研究科 大学院生
磯部 寛之（いそべ ひろゆき） ：東京大学大学院理学系研究科 教授

【用語説明】

参考情報：
磯部寛之教授らの代表的な関連先行研究については、以下のプレスリリースもご参照下さい。
●世界初　窒素ドープ型ナノチューブ分子登場（2020年4月14日）
●新しいナノチューブ登場（2019年1月11日）
●研究室の扉：東京大学大学院理学系研究科による動画での研究紹介（2018年11月21日）
●水素結合のリレーで軸回転（2018年9月17日）
●（ほぼ）摩擦なし：分子の世界のベアリング（2018年5月15日）
●キラル筒状分子の右手と左手（2017年11月28日）
●二輪型分子ベアリングの自発的・自己選別組み上げ（2016年11月17日）
●筒状分子の化学と数学（2016年6月28日）
●ナフタレンから全固体リチウムイオン電池の負電極材料（2016年5月16日）
●トルエンから単層有機ELの新材料（2015年11月5日）
●ナノサイズのコマの歳差と自転運動（2015年3月2日）
●有限長カーボンナノチューブ分子内部の秘密（2014年5月27日）
●カーボンナノチューブの有限長指標（ものさし）について（2014年1月22日）
http://www.wpi-aimr.tohoku.ac.jp/jp/news/press/2014/20140122_000443.html
http://www.orgchem2.chem.tohoku.ac.jp/finite/
●顔料から伸長型有限長カーボンナノチューブ分子（2013年5月22日）
●有限長カーボンナノチューブ分子を活用した溶液中のナノベアリングについて（2013年1月9日）
●世界初ジグザグ型有限長カーボンナノチューブ分子の化学合成について（2012年7月18日）
●世界初らせん型有限長カーボンナノチューブ分子の選択的化学合成について（2011年10月12日）