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生物を模倣した新触媒反応を用い機能性炭素細線の開発に成功 ―生物の原理を利用した物作り―

Research

坂口浩司 エネルギー理工学研究所教授、小島崇寛 同助教、中江隆博 同助教、宋少堂 同博士課程学生らの研究グループは、生物を模倣した従来に無い触媒反応を開発し、エネルギー・半導体応用が期待される機能性炭素細線(炭素ナノリボン)の合成に成功しました。合成された新種の炭素ナノリボンは優れた電気特性を持ち、次世代半導体材料や太陽電池としての応用が期待されます。

 本研究成果は英科学誌「Nature Chemistry」のオンライン版に2016年9月27日午前0時に掲載されました。

研究者からのコメント

左から、坂口教授、小島助教、中江助教、宋博士課程学生

 今回の成果は、「生物の原理を利用して先端機能材料を作る」と言う生物、材料科学の全く異なる二つの分野を結びつける新しいコンセプトに基づく研究であり、今後さまざまな種類の機能性炭素ナノリボンの合成が達成され、次世代半導体やエネルギー分野での応用研究が飛躍的に加速するものと期待されます。また、本研究で見出された新しい表面触媒反応は、従来の定説を覆す概念であり、新たな学術分野の展開が期待されます。今後は、「生物模倣型触媒反応」を発展させ、未踏の炭素ナノリボンの合成と機能評価、特に磁性機能を目指した新しい炭素材料の開発に取り組む予定です。

概要

 従来の炭素ナノリボン合成法では、原料分子を超高真空中で高温に熱した金属基板に吹きかけて化学反応させる超高真空ボトムアップ合成法が用いられてきました。しかし「単純な構造を持つ原料分子」では成功するものの、優れた電子機能が理論予測された新種の炭素ナノリボンを作るために必要な「複雑な構造を持つ原料分子」では、化学反応を妨げる「乱れた高分子」を形成するため未成功でした。

 今回開発した「生物模倣型触媒反応」では、「Z文字」の形をした複雑な形を持つ原料分子を設計し、本研究グループが開発した2ゾーン化学気相成長法を用いることで、懸案の問題を解決しました。本方法のポイントは、原料分子が金属上で「特殊な形(不斉)」に変形し、自発的に形を識別して「直線に整列した高分子(不斉高分子)」に自発的に組み上がり、高い効率で新種の炭素ナノリボンに変換する酵素類似の触媒反応を開発した点です。この新種の炭素ナノリボンは、高いキャリア移動度を示し、優れた半導体特性を示すことが明らかになりました。

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