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界面化学

分子積み木による界面ナノアーキテクチャ

ナノ界面接合技術の確立により新エネルギー創出に挑む

化学分野 金井塚勝彦 准教授

 我々の研究室では機能性分子のナノ界面接合技術の確立に向けて研究を展開しています。
 この技術は“ナノメートルスケールで”分子や微粒子などの機能性化合物の配向や数を設計して基板に固定することがカギとなります。
 例えば,電極上で分子の向きを変えることができれば,電気の流れやすさや量,時には流れる向きを逆転させるなどのコントロールが可能となります。また,基板上にナノレベルで分子をデザインすることで,これまでの分子個々の性質とは違った,集団としての新たな機能が発現することもあります。

 上記の分子や微粒子の精密界面固定と併せて,電子やイオン,プロトンを効率よく動かすことも重要です。これにはスムーズに通過するためのいわば“通り道”を基板上に精密に構築することが必要で,実現できれば太陽電池や燃料電池,熱電,圧電さらには人工光合成の性能が飛躍的に向上すると考えられています。

 さらに,我々の手法の特徴である“ナノレベルの加工”は従来の方法では難しいとされたナノ構造体を構築することができます。従来のトップダウン(大きな物質を切り崩しながら小さくしていく手法)では電極上の機能性材料の精密加工に限界があるのに対して,ボトムアップ(目的に合わせて分子や粒子を1つずつ連結していく方法)では,精密な構造体形成が可能であるため様々な機能をもつ材料やデバイスを得ることができます。このようにナノメートルスケールで効率よく電子やイオン,プロトンが動ける界面をデザインし,構築していくこと(ナノ界面アーキテクチャ)がこれまでのエネルギー変換材料・デバイスの課題解決に大きく貢献できると信じています。

(1)形状・サイズの制御されたナノメタルの合成と触媒機能

 金,銀,銅などのナノメートルサイズの金属(ナノメタル)は,可視光と相互作用することにより,ナノメタル近傍に特殊な場が形成します(フォトントラッピングによる近接場形成)。ナノメタルが相互作用する光(エネルギー)は,粒子のサイズや形状に大きく依存します。そのため,ナノメタルの精密合成法を確立できればさまざまな波長のフォトンを利用した機能材料やデバイスが構築できます。これらは新規触媒反応にも展開できると考えられ,例えば,ガソリンや石油などの燃焼により生成される二酸化炭素を,太陽光エネルギーの利用により低炭素資源に変換できるようになるかもしれません(人工光合成による燃料創成)。


形状の異なる銀ナノ微粒子透過型顕微鏡像と分散溶液の色


二酸化炭素の資源変換

(2)ナノメタル間相互作用による色彩デバイス

 上で紹介したナノメタルは,集団で近くに存在すると相互作用して,単独の時とは大きく異なる物性を発現します(ギャップモードプラズモン形成)。これにより可視から近赤外まで,目的に合わせた色のデバイスが構築できます。例えば,マルチカラーディスプレイへの応用や,赤外光を吸収する機能性分子との組み合わせにより,透明な太陽電池(シースルー太陽電池)への応用が期待できます。現在普及している太陽電池は,設置場所が限られていますが,シースルー太陽電池は窓などに展開でき,生活空間を妨げずに発電できます。


基板上で配列したナノメタルとマルチカラーデバイス

(3)温和な条件での合金合成

 異なる金属が融合した“合金”。一般的には融点以上で複数のバルク金属を混合させる必要があります。例えば,軽くて丈夫なことで知られるチタンの融点は1668℃であるため,高温処理が必要です。しかし,ナノサイズにすると融点降下現象が起こるため,室温でも合金にできる可能性があります。また,水と油の関係のように,通常はバルクでは合金を形成しないような相性の悪い金属同士でも,ナノメタルは合金にできる可能性があります。これにより簡便な合金合成や,また,世の中には存在していないような合金を創り出せるかもしれません(現代の錬金術)。

(4)分子積み木による配向性(結晶性)ナノ薄膜形成

 イオンやプロトン,電子を低エネルギーで効率よく移動させることができれば,燃料電池や化学センサー・バイオセンサーなどへの応用が期待できます。我々は結晶界面(分子が規則的に配列した構造)の作製が課題解決のカギとなると考えています。分子の配向をイメージして分子を設計・合成し,化学結合を巧みに利用して基板に並べ,それらの配向や物性を制御することで,従来の性能を凌駕するデバイス創成に取り組んでいます。


分子の濃縮・積み木・結晶化による高速イオン・プロトン輸送

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