ジャイロイド金属有機構造体における圧電転移を発見~仲間外れの点群から新たな機能を創出~

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2025-03-25 東京大学,高輝度光科学研究センター

東京大学大学院新領域創成科学研究科の鬼頭俊介助教、徳永祐介准教授、有馬孝尚教授らの研究グループは、ジャイロイド構造を持つ金属有機構造体(MOF)において、新たなタイプの圧電転移を発見しました。このMOFは、三次元的なネットワーク構造であるジャイロイドを持ち、ひずんだ硫酸イオン(SO₄²⁻)の電気双極子モーメントが規則的に並ぶことで、三次元的な螺旋構造を形成します。これにより、応力を加えている間だけ電気分極が制御可能な圧電性が発現することが明らかになりました。この発見は、応力と電場によって制御可能な高耐久性のメモリデバイスの開発につながることが期待されます。研究成果は、2025年3月24日付で米国化学会誌『Journal of the American Chemical Society』オンライン版に掲載され、同誌の補足表紙にも選ばれました。

<関連情報>

非パイロエレクトリックなジャイロイド型有機金属骨格における圧電転移 Piezoelectric Transition in a Nonpyroelectric Gyroidal Metal–Organic Framework

Shunsuke Kitou,Hajime Ishikawa,Yusuke Tokunaga,Masato Ueno,Hiroshi Sawa,Yuiga Nakamura,Yuto Kinoshita,Tatsuya Miyamoto,Hiroshi Okamoto,Koichi Kindo,and Taka-hisa Arima
Journal of the American Chemical Society  Published: March 24, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.5c00886

Abstract

ジャイロイド金属有機構造体における圧電転移を発見~仲間外れの点群から新たな機能を創出~

Among the thirty-two crystallographic point groups, 432 is the only one that lacks an inversion center but does not exhibit piezoelectricity. A gyroidal structure belongs to point group 432 and shows characteristic physical properties attributed to its distinctive strong isotropic network. Here, we investigate a gyroidal cobalt oxalate metal–organic framework (MOF) with disordered orientations of SO4 tetrahedra. Synchrotron X-ray diffraction experiments using a single crystal reveal a cubic-to-cubic structural phase transition at TS = 120 K. This transition involves a change in the point group from nonpiezoelectric 432 to piezoelectric 23. The symmetry change arises from the ordering of distorted SO4 molecules, leading to a three-dimensional helical arrangement of electric dipole moments. Furthermore, pyroelectric current measurements using polycrystalline pellet samples reveal that electric polarization emerges below TS depending on the magnitude of the pelletizing pressure, demonstrating piezoelectricity. The gyroidal MOF offers an opportunity to explore unique dielectric properties induced by the helical ordering of molecules and structural flexibility.

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