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水たまりに油膜ができる現象を利用して高機能シート材料を簡単に作製 ~センサや電池向けのナノ材料を常温常圧下で作製可能に~

 大阪府立大学,公益財団法人 高輝度光科学研究センター(JASRI)および東京大学は2021年10月28日,大阪府立大学 大学院工学研究科の大畑 考司 大学院生,同 牧浦 理恵 准教授,JASRI産業利用・産学連携室の渡部 剛 主幹研究員,東京大学 大学院新領域創成科学研究科の竹谷 純一 教授らの研究グループが,原材料溶液を水面に滴下するだけで精密な立体ナノ構造を構築し,多孔質で電気を流す極薄シートの作製に成功した,と発表した.本研究は,文部科学省の科学研究費助成事業 新学術領域,挑戦的萌芽研究などの支援を受けて行われ,成果はApplied Materials and Interfaces誌にオンライン掲載された(注).

 グラフェンなど,厚さがナノメートルオーダーで機能性を持つ薄膜(ナノシート)は,デバイスの小型化や省資源化の観点から注目されているが,その多くはマクロスケールの材料を剥離して製造されており,製造工程のエネルギー消費が多く,また剥離過程で薄膜が損傷を受けたり再凝集し易いという問題があった.

 一方,水面にできた油膜を回収して単分子厚みの大面積薄膜を作る技術が知られている.本研究で,研究グループは,この手法を応用して立体ナノ構造を有するナノシートの作製を試みた.使用した材料は,π電子共役系を持つトリフェニレン分子の外周に親水性のアミノ基が結合した2,3,6,7,10,11-hexaimino -triphenylene(HATP)で,4つのベンゼン環が平面状に配列した疎水性のトリフェニレンを親水性のアミノ基が三方から取り囲む三角形状をしている.HATPをニッケルイオンを含む水溶液に散布すると,HATPは水面に広がるとともにニッケルイオンを介して次々に連結し,π電子の相互作用で上下方向にも規則的に積層してMOF(有機金属複合体)の薄膜となる.これにより規則的に配列した六角形の細孔が上下につながるナノシートが得られる.水面上のナノシートを基板に転写することも可能で,透過型電子顕微鏡(TEM)や走査型原子力間顕微鏡(AFM)により,厚さ約10 nmで,基板に垂直な約2 nmの正六角形の穴が規則的にあいたハニカム状構造の積層が観察され,大型放射光施設SPring-8のX線回折による構造解析でもそれが確認された.このナノシートは,3次元的に規則的かつ密に詰め込まれたπ電子共役により導電性を示し,ハニカム構造と積層構造 が向きを揃えて適切に接続されているため,厚み100 nm以下の他のトリフェニレン系ナノシートに比べ高い伝導度0.6 S/cmが得られた.また,多くの電気伝導性ポリマーは黒色に近く着色し光透過性が低いが,このナノシートは薄膜であることから可視光透過度は99%に達し高い透明性を有する.

 本研究によるナノシートは,常温・常圧で注射器と水容器だけの省エネプロセスで作ることができ,原料を変えることで細孔サイズや形状を変更し,細孔内への分子やイオンの効果的な取り込み・放出も可能で,センサや電池,キャパシタなどの電極への応用が期待されるという.

(注)Takashi Ohata, Akihiro Nomoto, Takeshi Watanabe, Ichiro Hirosawa, Tatsuyuki Makita, Jun Takeya, and Rie Makiura, "Uniaxially Oriented Electrically Conductive Metal-organic Framework Nanosheets Assembled at Air/Liquid Interfaces", ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, DOI: 10.1021/acsami.1c16180; Publication Date: October 27, 2021