ファンデルワールス相互作用を活用した分子識別原理を提唱~非極性分子骨格と極性固体表面間の相互作用に基づく吸着挙動~

2026-01-29 東京大学

東京大学大学院工学系研究科と北海道大学電子科学研究所の研究グループは、ガスセンサでの分子識別が困難とされてきた、極性官能基が共通で炭素鎖長だけが異なる分子の識別原理を新たに提案しました。一般に分子の識別では官能基と表面との相互作用が信号源となりますが、炭素鎖長のみの違いでは識別が難しい場合があります。本研究では、非極性炭素鎖と極性酸化物固体表面との間に働くファンデルワールス相互作用が、吸着挙動とその温度依存性に大きく影響することを明らかにしました。ZnOナノワイヤを実装した水晶振動子マイクロバランス(QCM)センサを用いて評価した結果、炭素鎖長が長くなると温度依存性がより顕著になることが分かり、この違いを識別原理として利用できることを示しました。DFT計算によっても、ファンデルワールス相互作用の寄与が鎖長に応じて増大することが確認されました。この成果は、ファンデルワールス相互作用という弱い力を積極的に活用する新しい分子識別の戦略を示し、ガスセンシングや分子認識界面設計に新たな指針を与えるものです

ファンデルワールス相互作用を活用した分子識別原理を提唱~非極性分子骨格と極性固体表面間の相互作用に基づく吸着挙動~
ファンデルワールス相互作用に基づく分子吸着挙動のイメージ図

<関連情報>

脂肪族カルボン酸のガス検知ダイナミクスにおける非極性アルキル鎖と極性ZnO表面間のファンデルワールス相互作用 Van der Waals Interactions between Nonpolar Alkyl Chains and Polar ZnO Surfaces in Gas Sensing Dynamics of Aliphatic Carboxylic Acids

Yusuke Tonomoto,Wataru Tanaka,Kazuki Nagashima,Takuro Hosomi,Tsunaki Takahashi,Jiangyang Liu,Haruka Honda,Hikaru Saito,Wataru Mizukami,and Takeshi Yanagida
ACS Nano  Published: January 16, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/acsnano.5c15490

Abstract

Understanding the adsorption behavior of carboxylic acids on oxide surfaces is important in various chemical processes, including heterogeneous catalysis and chemical sensing. Traditionally, these behaviors have been attributed mainly to interactions between the polar carboxyl group and the polar oxide surface. Here, we demonstrate a vital yet previously underestimated effect of van der Waals interactions between the nonpolar alkyl chains and the polar ZnO surfaces on gas adsorption sensing of aliphatic carboxylic acids. Adsorption behaviors of carboxylic acids with different chain lengths (C3–C9) on single-crystalline ZnO nanowires were investigated by gas chromatography/mass spectrometry (GCMS), infrared spectroscopy (IR), and p-polarized multiple-angle incidence resolution spectroscopy (pMAIRS). GCMS analysis showed a distinct chain-length–dependent temperature shift in the adsorption maxima, with shorter acids reaching their maxima at lower surface temperatures, whereas longer acids required progressively higher temperatures over the range of room temperature to 150 °C. IR spectra revealed that the conversion of carboxyl groups into carboxylate species coordinated to surface Zn cation sites determines the surface retention of carboxylic acids. pMAIRS measurements further indicated that these transitions are restricted by alkyl–ZnO interactions, particularly at lower temperatures. These findings are consistent with density functional theory (DFT) calculations showing that the cumulative effect of individually weak van der Waals interactions between nonpolar C–H groups and polar ZnO surfaces becomes the major contributor to adsorption energy for longer-chain carboxylic acids. Moreover, quartz crystal microbalance (QCM) measurements successfully discriminated carboxylic acid homologues by their distinct adsorption dynamics.

0500化学一般
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