分子で探るモアレの化学～「不整合二層炭素膜」を選んで組み上げ～

2021-03-11

2021-03-10 東京大学,科学技術振興機構

ポイント

炭素膜２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初めて成功しました。
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持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。

東京大学大学院理学系研究科の磯部寛之　教授の研究グループは、ずれから生じる周期性「モアレ」を、分子の世界に登場させました。最近、物理学分野で注目されている「モアレ（ずれの周期性）」を初めて分子で実現したものです。研究グループは、カーボンナノチューブの部分構造を持った分子を、大小２種類の筒状分子として設計・合成したところ、それらを混ぜるだけで二層型カーボンナノチューブが組み上がりました。用いた筒状分子には、それぞれ炭素の並びに「右巻き」と「左巻き」の種類があるため、原理的には、二層型カーボンナノチューブに、４種類の組み合わせが生じるはずです。しかし、実験的に得られた二層型カーボンナノチューブは「右巻きと左巻きの組み合わせ」のみでした。二層型カーボンナノチューブの組み上げの際に、構造の選択性が存在することを示す初めての発見です。さらに、生じた二層型カーボンナノチューブは、炭素の六角形の並びに「不整合」と呼ばれる「ずれ」があり、組み合わせる前にはなかった新しい周期性が出現しました。「不整合組み合わせ」は、新しい超伝導物質などとして、特にナノカーボンを扱う物理学、材料科学分野で注目されており、本成果は、こうした不整合性を分子の世界で実現できることを初めて明示したものです。今後の炭素材料が発展のために、重要な基礎的知見となることが期待されます。

本研究成果は、２０２１年３月１０日（英国時間）に国際学術雑誌「ＮａｔｕｒｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ」に掲載されます。

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の最先端設備が活用されています。

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