カーボンナノチューブの近赤外発光の波長制御・高機能化技術を開発~バイオイメージングや先端光科学技術の開発に期待~

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2022-11-22 九州⼤学

ポイント

  • 化学修飾により⽋陥※1 導⼊を⾏ったカーボンナノチューブは近⾚外発光を⽰し、さらなる⾼機能素⼦開発のために発光特性を決定づける⽋陥構造を制御する技術開発が求められていた。
  • 本研究で従来技術よりも⻑波⻑化した発光を選択的に⽰す⽋陥構造を形成させるための修飾分⼦の設計指針を開拓した。さらに本設計がクリックケミストリー※2 によって多様に分⼦を事後修飾できることを⽰した。
  • 今後、⾼深度・⾼分解能のバイオイメージングや医療センシング材料、通信帯域に対応した室温単⼀光⼦発⽣素⼦などの量⼦技術開発に貢献することが期待。

概要

炭素原⼦のみで構成されるカーボンナノチューブは、近⾚外領域の発光を⽰す特性を有し、バイオイメージングや通信技術など先端光技術への応⽤が期待されています。⼀⽅で、⼀般にカーボンナノチューブの発光効率は低く(1%未満)、発光波⻑もチューブの構造で決定される制限がありました。最近、カーボンナノチューブに化学修飾を⾏い部分的な⽋陥形成を⾏うことで、発光効率が向上し発光波⻑が変化した新たな⽋陥発光を⽣み出せることがわかってきました。しかし、従来技術では修飾反応の違いによらず類似の発光特性が観測されており、さらなる光機能創出には⽋陥構造を変化させて選択的に異なる発光波⻑を⽣み出すなどの新たな修飾技術を開発することが求められていました。
九州⼤学⼤学院⼯学研究院および九州⼤学カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所(I2CNER)の⽩⽊智丈准教授、藤ヶ⾕剛彦教授、加藤幸⼀郎准教授および同⼤学⼯学府博⼠課程3 年の余博達⽒、修⼠課程の仲禎⼀⽒、⻘⽊榛花⽒(研究当時)、理化学研究所光量⼦⼯学研究センターの加藤雄⼀郎チームリーダー、⼭下⼤喜訪問研究員、藤井瞬基礎科学特別研究員(研究当時)らの研究グループは、修飾分⼦にナノチューブと相互作⽤をする部位を新たに導⼊する分⼦設計を開発し、従来技術よりも⼤きく⻑波⻑化させた⽋陥発光を⽰す⽋陥配置を選択的に形成させることに成功しました。さらに今回の設計では、クリックケミストリーという技術を使って、形成させた⽋陥部位に選択的かつ⾼効率に別の分⼦を後修飾できることを明らかにしました。
今回の発⾒は、ナノチューブ上に任意の⽋陥構造を形成させるという科学的に新しい⼿法を提供するだけでなく、近⾚外光を利⽤した先端光科学技術の開発に貢献すると期待されます。
本研究成果は、2022 年11 ⽉17 ⽇(⽊)に⽶国化学会の国際学術誌「ACS Nano」にオンライン掲載されました。

欠陥発光を示す修飾カーボンナノチューブの模式図

用語解説

(※1) ⽋陥
⼀般に無機半導体のような材料は、ある種の元素が周期的に規則正しく配列した結晶構造により形成されています。ここに、異種元素の導⼊や構成元素の⽋損、また今回のように結合混成の変化が起きると、その部位が構造の⽋陥となります。この⽋陥導⼊によって、結晶構造の対称性や電⼦的特性の変化が起きることで、新たな機能が発現しうることから、新材料・⾼機能性材料の創出⼿段として注⽬されています。

(※2) クリックケミストリー
ベルトがバックルで“カチッ”と固定されるように、分⼦同⼠を⾼効率かつ⾼選択的に結合できる化学反応の総称。クリックケミストリーは2022 年のノーベル化学賞を授与され、今後様々な分野への応⽤も期待されています。

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論文情報

掲載誌:ACS Nano
タイトル:ortho-Substituted Aryldiazonium Design for the Defect Configuration-Controlled Photoluminescent Functionalization of Chiral Single-Walled Carbon Nanotubes
著者名:Boda Yu, Sadahito Naka, Haruka Aoki, Koichiro Kato, Daiki Yamashita, Shun Fujii, Yuichiro K. Kato, Tsuyohiko Fujigaya, Tomohiro Shiraki
DOI:10.1021/acsnano.2c09897

研究に関するお問い合わせ先
工学研究院 白木 智丈 准教授

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