【研究領域課題番号】21H01627 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

自己集積 / 自己組織化 / バイオミネラル / 結晶成長 / バイオミメティック / 自己集合 / ナノ材料 / ナノ結晶

【研究成果の概要】

研究目的は、ナノブロックが規則配列した「メソクリスタル」を大規模化して実用的なデバイスへと発展させ、多彩な融合機能を開拓することである。ここでは、マイクロパターン化されたフレームを用いて多様な無機結晶ナノブロックを任意な組成・結晶方位・サイズで集積させた大規模メソクリスタルを構築する。無機ブロックのメソクリスタルが、高強度・イオン伝導性・誘電性などの第1機能を担い、フレームと挿入分子が、柔軟性・刺激応答性などの第2機能を担い、全体として実用的なデバイスへと発展させる。これにより、高強度と柔軟性併せ持つ構造材料、センシングや構造色およびエネルギー変換や生体親和性などを併せ持つ機能材料などの「融合機能材料」を実現する。
前述した目的を達成するため、2021年度では、研究の第1段階として配列と機能発現に適した結晶ナノブロックの設計・合成と分散媒蒸発による初期的な配列を試みた。ここでは、生体構造材料としてフッ素アパタイトや炭酸カルシウムのナノロッド、環境親和材料として硫酸ストロンチウムなナノロッド、蛍光材料としてハロゲン化鉛ペロブスカイトナノキューブ、磁性材料として酸化鉄ナノキューブ、誘電材料としてチタン酸バリウムナノキューブ、光学材料としてシリカナノ粒子や粘土ナノシートを合成した。それぞれが分散媒蒸発にともなう移流集積法などの適切な方法を用いることで規則配列が可能であることを検証した。特に、フッ素アパタイトナノロッドを用いた配列制御では、親和性と蒸気圧が異なる2成分の分散媒を用いることで、垂直・水平・ランダム配列の多規模なコントロールに成功した。これは、大規模メソクリスタルの構築の基礎的な知見として重要である。また、大規模配列の手本とし、サンゴ、放散虫、有孔虫のナノ構造の解析を進め、メソクリスタル構造と機能の相関性に関する新たな知見を得た。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2021-04-01 - 2025-03-31

【配分額】17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円)

【研究分野】無機材料・物性

【研究領域課題番号】16H02398 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

自己集合 / 自己組織化 / ナノ粒子 / 機能性酸化物 / イオン導電性 / 磁性 / バイオミネラル / 結晶成長 / 機能材料

【研究成果の概要】

サイズと形状のそろったナノブロックは，その分散液の蒸発に伴う移流集積現象によって配向配列体を形成する．本研究では，この自己集積現象を巧みに利用し，集積条件を最適化することで，ナノキューブやナノ直方体などの矩形ナノブロックをビルディングユニットとして，様々な種類の一次元・二次元・三次元秩序配列をマイクロ～ミリメートルスケールの広範囲にわたって方位選択的に作製することを可能とした．ナノブロックは有機分子に覆われており，多様な金属酸化物や金属が積層できるために，多様かつ異種の物質において特異な配向体や接合体が得られ，結晶方位の同一性や高い比表面積に由来する新規な機能が見出された．

【研究の社会的意義】

本研究で見出されたブロック配列による材料の形態デザインでは，ビルディングユニットは有機分子に覆われており，化学組成はその秩序配列に影響を及ぼさない．そのため，本手法は多様な金属、金属酸化物、その他の物質のナノブロックによる様々な種類の一次元・二次元・三次元秩序配列の作製に適用可能である．さらに本研究では，ナノブロックの規則配列や異種物質の接合による新規機能が見出されており，本手法の機能デバイスへの発展が示されている．従って，矩形ナノブロックを自在に組み合わせて任意な形態に配列させる本手法は，革新的な機能を生み出す材料プロセスであり，新たな材料開発の基盤として期待される．

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2016-04-01 - 2020-03-31

【配分額】44,460千円 (直接経費: 34,200千円、間接経費: 10,260千円)

【研究分野】ナノ材料工学

【研究領域課題番号】15K04620 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ナノ材料 / 自己組織化 / 結晶成長 / マイクロ・ナノデバイス / 脱濡れ / 微細加工

【研究成果の概要】

汎用性の高いスパッタ法により成膜した薄膜の脱濡れ（熱凝集）現象を用いて、特異な形状や良質な結晶構造を有する多種・多様な自己組織化機能性ナノ材料を作製した。我々は、機能層と基板との間に、シード層と呼ばれる薄膜層を導入することで自己組織化を促進させ、良質な薄膜構造を発生させる、低コストなボトムアップ型のナノ材料創製技術を開発した。本手法を用いて、我々はナノ材料の形や大きさに関してより緻密な制御を行うと供に、得られた知見から、本研究における脱濡れの詳細メカニズムを結晶成長学的見地から考察した。更に、ナノ材料の多層化や意図した構造制御によって、作製したナノ薄膜材料の機能性の向上を図った。

【研究の社会的意義】

本研究により、生産性やコスト面に優れた成膜法（スパッタ法）を用いて作製した薄膜を熱することで脱濡れ（熱凝集）を施し、自己組織化によって良質な機能性ナノ材料を、従来の手法と比較して、比較的容易に得ることが可能となった。本作製手法の開発により、自己組織化形成技術としてナノ材料作製における選択肢が増え、より多くの研究従事者に利用され、応用されることで、新素材や新たな高密度・高機能素子の開発に繋がるものと考えられる。本研究により得られたナノ材料は、化学的に合成されたナノ粒子や、従来の脱濡れ手法により作製されたナノ材料に比べ、結晶構造有しているため、今後のナノ科学の機構解明にも役立つものと考えられる。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2015-04-01 - 2019-03-31

【配分額】5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円)

【研究分野】無機材料・物性

【研究領域課題番号】15K14129 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

結晶成長 / 自己組織化 / 自己集合 / ナノ粒子

【研究成果の概要】

本研究では、多様な物質系を用いてナノスケールの矩形ユニット粒子のオリエンテッドアタッチメント現象を検討した。第1には、既存の酸化マンガン矩形ブロックにおいて、安定化分子や集積条件を最適化し、位置や配列を任意に制御した多様なオリエンテッドアタッチメントの方法を開発した。第2には、アナターゼ型二酸化チタン・水酸アパタイト・カルサイト型炭酸カルシウムの矩形ナノブロックの合成と配列に取り組み、多様な物質系におけるオリエンテッドアタッチメント現象を確認した。これらの結果より、ナノユニットを自在に連結させるオリエンテッドアタッチメントの技術的基盤の確立に成功した。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)

【研究分野】高分子化学

【研究領域課題番号】15H02179 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ハイブリッド材料 / 自己組織化 / バイオミネラリゼーション / 結晶成長 / コロイド粒子 / 液晶 / アモルファス / ヒドロキシアパタイト / 無機有機融合材料 / 複合材料」 / 機能性高分子 / 融合マテリアル / 分子制御 / 有機無機複合材料 / 液晶高分子 / 炭酸カルシウム

【研究成果の概要】

水溶性高分子によって安定化した無機結晶のアモルファス前駆体の結晶化を、高分子基板で制御することにより、形状や配向を制御したヒドロキシアパタイトや酸化亜鉛の薄膜結晶を作製する手法を開発した。また、アモルファス無機粒子を異方的なコロイド結晶へと制御して変化させることにより、世界初となる炭酸カルシウムやヒドロキシアパタイトの液晶化にも成功した。さらに高分子ゲルと無機結晶を精密に複合化することにより、透明なアモルファス構造やらせん構造を有する無機／有機融合材料を得た。

【研究の社会的意義】

高分子の相互作用を利用することにより、生体親和性や生分解性の高い炭酸カルシウムやリン酸カルシウム、あるいは光機能性の酸化亜鉛などの結晶化を温和な条件下において制御する様々な手法を構築した。炭酸カルシウムやリン酸カルシウムの液晶化は世界初という学術的な価値だけでなく、低環境負荷であるこれらの素材から常温・常圧のプロセスにより機能性材料を作製するという環境・資源問題に資する社会的意義のある成果を達成している。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2019-03-31

【配分額】30,420千円 (直接経費: 23,400千円、間接経費: 7,020千円)

【研究分野】材料加工・処理

【研究領域課題番号】24560874 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ナノ材料 / 自己組織化 / 微細加工 / 脱濡れ / 熱凝集 / 結晶成長 / マイクロ・ナノデバイス / ナノデバイス / 局在表面プラズモン共鳴

【研究成果の概要】

二層（シード層促進）凝集現象を用い、自己組織化金属ナノ構造薄膜をスパッタ法により作製した。基板とAuやAg層の間に薄い金属シード層（Ti、Fe等）を挿入することで、熱凝集が促進され、良質なナノ構造（ドットやロッド）が形成されることを実証した。二層凝集法を用いると、 (1)薄膜と基板との付着力向上、(2)凝集温度の減少、(3)エピタキシャル成長の促進、(4)基板対称性を反映したナノ構造の形成がなされる。凝集促進のメカニズムは、主に薄膜全体の表面エネルギーの最小化と二層化による熱応力の増加によるものと考えられる。二層凝集法で作製したAu、Agナノドットの光学特性についても調べた。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2012-04-01 - 2015-03-31

【配分額】5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】20200004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

結晶成長 / DNAコンピューター / 自己組織化 / フォトニック結晶 / メタマテリアル / ナノデバイス / 成膜プロセス / 相分離 / DNAコンピュータ / 薄膜プロセス / 製膜プロセス

【研究成果の概要】

核酸高分子による自己組織化原理に従って構造間結合のオン・オフをあらかじめプログラム可能なDNAプログラミングの手法とコロイド結晶成長理論に基づいて、革新的機能を有する新機能性薄膜を大面積、無欠陥に形成するプロセスを構築した。具体的には、電荷を有する基板上において荷電粒子(コロイド粒子、DNA集積体など)が対イオンを介して相互作用することによって、大面積かつ無欠陥の集積構造を発現することをはじめて明らかにした。さらにこの集積原理は、DNA構造体を用いたフォトニック結晶およびメタマテリアルとして知られる新奇な物性を発現する回路素子の成膜技術に応用できることを示した。

【研究種目】新学術領域研究(研究課題提案型)

【研究期間】2008 - 2010

【配分額】31,330千円 (直接経費: 24,100千円、間接経費: 7,230千円)

【研究分野】高分子化学

【研究領域課題番号】17655048 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

無機 / 有機複合材料 / バイオミネラリゼーション / 自己組織化 / 炭酸カルシウム / 人工タンパク質 / 環境材料 / 高分子 / 結晶成長

【研究成果の概要】

物が鉱物を作ることをバイオミネラリゼーションという。代表的なバイオミネラルとして歯や骨、貝殻真珠層や甲殻類の外骨格などがある。我々は本研究において甲殻類(アメリカザリガニ)の外骨格より単離した石灰化に関与するタンパクCAP-1を用いて人工的に炭酸カルシウム/キチン複合体の作製およびその配向制御に成功した。CAP-1の存在下、キチンマトリクス上に炭酸カルシウム結晶を成長させると、一軸に配向した薄膜結晶が成長することを見出した。また、組み換えタンパクや合成オリゴペプチドを用いて対照実験を行い、70残基目のリン酸部位が表面モルホロジーに重要な影響を与えていること、CAP-1中央部にあるキチンと特異的に結合する部位(リバース・リジフォードコンセンサス配列)が、一軸に配向した薄膜結晶の形成に必要であることを見出した。本年度は、巨視的な配向を目指し、液晶性高分子の配向性に着目した。液晶性キチン誘導体のフィルムにせん断を引加して得た配向キチンマトリクスを結晶成長の基板に用いたところ、ポリアクリル酸存在下、内部に長さ80μm、直径10μm程度のロッド状の炭酸カルシウム(カルサイト)がキチンマトリクスの配向に沿って形成した。内部に成長したロッド結晶は、微結晶の集合体であり、さらに結晶c軸をマトリクスの配向にそろえて成長していた。キチンマトリクスの巨視的な配向が炭酸カルシウム結晶成長のテンプレートとして働いた事を示している。すなわち有機・無機双方が配向した新しい複合材料の開発に成功した。

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2005 - 2007

【配分額】3,300千円 (直接経費: 3,300千円)

【研究分野】高分子化学

【研究領域課題番号】15655038 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

無機 / 有機複合材料 / バイオミネラリゼーション / 自己組織化 / 炭酸カルシウム / ゲル / パターン形成 / 結晶成長 / 多糖誘導体

【研究成果の概要】

生物がつくり出す貝殻や真珠、骨や歯のような無機/高分子複合体は、我々が容易に模倣できない精緻な構造を有し、すぐれた性質・機能を示す。このようなバイオミネラルの形成プロセス、すなわちバイオミネラリゼーションに倣い、無機/高分子複合体を人工的に、かつ自己組織的に作製できれば、高機能・高性能かつ環境低負荷性の複合材料が得られるはずである。我々は、炭酸カルシウムと有機高分子からなる複合材料をバイオミネラリゼーションに倣った自己組織化プロセスにより構築してきた。本研究では、炭酸カルシウムの結晶化にソフトなゲルを形成する合成高分子を用いて炭酸カルシウムの形態制御を行い、自己組織的にパターン構造を作製することに世界で初めて成功した。
ポリアクリル酸などの水溶性高分子添加物の存在下、プルランのコレステロール誘導体をマトリクスに用いて炭酸カルシウムのパターン構造を形成させた前年度の知見から、マトリクスと水との複合構造がパターン構造形成に深くかかわっていると考えた。そこで、本年度は有機高分子マトリクスとして分子量やケン化度で水との相互作用が変化するポリビニルアルコールを用い、パターン化薄膜の形成を試みた。その結果、周期がマイクロメートルオーダーの同心円状の炭酸カルシウム凹凸パターン薄膜の形成に成功した。このパターン薄膜は光の回折現象により、干渉色を呈することも分かった。また、ポリビニルアルコールマトリクスの加熱処理条件やケン化度によって、薄膜のパターン周期が変化したことから、下地であるマトリクスの構造が結晶成長に影響を及ぼすことが分かった。

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2003 - 2004

【配分額】3,500千円 (直接経費: 3,500千円)