堀毛悟史 高等研究院物質－細胞統合システム拠点（iCeMS＝アイセムス）准教授、北川進 同拠点長?教授、オード?デメッセンス フランス国立科学研究センター研究員らの共同研究グループは、金属イオンと有機物からなる結晶中で、イオンの流れを光でスイッチングできる新たな材料の合成に成功しました。
本研究成果は、2017年4月10日発行のドイツ化学会誌「Angewandte Chemie International Edition」オンライン版にHot paperとして公開されました。
研究者からのコメント
さまざまなイオンの振る舞いを固体中で操ることができれば、エレクトロニクスとは异なる电子デバイスや触媒用途への可能性が広がります。今回用いた材料である「配位高分子」は、结晶中に緻密に金属や分子を配置できること、无机物と有机物の中间の机械特性（材料に対して引っ张りや圧缩といった外力をかけたとき、その物体がどのような変化を示すかという力学的応答性）などの材料としての利点をもちます。本研究ではこれらの结晶融解现象を利用しており、液体から固体に戻すときに工夫すれば膜や线材などの形状に加工することも可能であること、プロトン以外のイオンのスイッチングも可能であることから、本研究の成果を応用することで、固体中でイオンの流れを制御する材料科学とその応用研究を発展させることが期待されます。
本研究成果のポイント
- 従来の手法では光などの刺激により、固体中でイオンの流れをスイッチするイオン伝导体の设计は困难だった。
- 金属と有机分子からなる「配位高分子」と呼ばれる结晶を用い、イオン输送のオン／オフを光によって制御する材料を开発した。
- 光によるイオン制御机构を有するメモリやトランジスタなどへの応用が期待される。
概要
固体中でさまざまなイオンを伝导、输送する物质（固体イオン伝导体）は、例えば携帯电话の电池や、水素ガスと酸素ガスから电力を作る燃料电池を搭载した车の性能や安全性の向上に必须の材料です。このようなイオン伝导体は、ある温度で电圧を加えるとイオンを流し始めますが、电圧だけではなく、光のような刺激によってイオンの流れを任意にスイッチできれば、电池用途にとどまらないデバイス応用の可能性が生まれます。しかし従来はこのように固体の状态で刺激に応答するイオン伝导体の设计は困难でした。
そこで本研究グループは、金属イオンと有机物が结合してできる「配位高分子」と呼ばれる结晶材料を用い、その结晶の内部に光応答性（光の照射によって物质の性质が可逆的に変化する现象）をもつ分子を均一に分散させることにより、新たな光応答性イオン伝导体の开発を行いました。この材料に光を当てると、イオンの一种である水素イオン（プロトン、贬 ＋ ）を伝导するようになり、光を止めるとその伝导も停止します。この机构を応用すれば、不挥発性のメモリや电気を蓄えるコンデンサ、あるいは光駆动するトランジスタなどの研究开発に大きく贡献すると期待されます。
図：（补）プロトン伝导を示す配位高分子结晶の构造、および光によってプロトンの放出?补足を示すピラニン分子。（产）ピラニンをドープした配位高分子试料において光照射をオン／オフしたときのプロトン伝导スイッチング特性
详しい研究内容について
书誌情报
【顿翱滨】
Sanjog S. Nagarkar, Satoshi Horike, Tomoya Itakura, Benjamin Le Ouay, Aude Demessence, Masahiko Tsujimoto, and Susumu Kitagawa (2017). Enhanced and Optically Switchable Proton Conductivity in a Melting Coordination Polymer Crystal. Angewandte Chemie International Edition, 56(18), 4976-4981.
