水上のナノファクトリー! 水たまりに油膜ができる現象を利用して高機能シート材料を簡単に作製 ―センサや電池向けのナノ材料を常温常圧下で作製可能に―
更新日:2021年10月28日
本学 工学研究科 マテリアル工学分野の牧浦 理恵 准教授、博士後期課程 3年 大畑 考司さん、応用化学分野の野元 昭宏 准教授らの共同研究グループは、原料の分子の形状と結合の相手となる金属イオンとの組み合わせ、水面での作製条件を工夫することにより、多孔質(解説)かつ電気を流すナノシートを作製することに成功しました。
厚さナノメートル(1000万分の1センチメートル)のシート状のナノ材料は“ナノシート”と呼ばれ、究極に薄い機能材料として、小型化、省資源性の観点から注目を集めています。
これまでに報告されている多くのナノシートは、大きなスケール(マクロスケール)の材料を剥離することにより製造されています。この製造方法には多くのエネルギーを必要とする高温・高圧や複数のプロセスが含まれます。また、剥離する過程でナノシート自体が破壊されるなどの課題があります。
水面に油膜ができる現象は古くから知られており、数滴の油を水面に落とすだけで、大面積で均一な油膜が形成されます。私たちは、この現象が省エネルギープロセスの材料製造につながるのではないかと考え、水面に原材料を含む溶液を滴下するという極めて簡単な方法で、高度な立体ナノ構造を有し、電気を流すナノシートの作製に成功しました。このナノシートは、用途に応じて様々な基板に転写して使用することが可能です。
立体ナノ構造中には、形状とサイズが揃ったナノスケールの細孔が無数に含まれます。多孔質で電気を流すナノシートをセンサや電池材料として用いることで、小型化・高機能化が期待されます
なお、本研究成果は2021年10月28日15時(日本時間)に、米国の科学雑誌「Applied Materials and Interfaces」のオンライン速報版で公開されました。
論文タイトル「Uniaxially Oriented Electrically Conductive Metal-organic Framework Nanosheets Assembled at Air/Liquid Interfaces」
本研究のポイント
- 原材料溶液を水面に滴下するだけで精密な立体ナノ構造を構築、多孔質で電気を流す極薄シートの作製に成功。
- 必要な器具は水を入れる容器と注射器だけ、常温常圧の省エネプロセスで高機能ナノ材料の製造が可能に。
- センサや電池の小型化・高機能化に貢献。
研究者からのコメント
工学研究科 マテリアル工学分野 准教授 牧浦 理恵
水面に均一で大面積の油膜ができる現象は古くから知られています。この身近にみられる現象が省エネプロセスにつながることに着目し、原材料の組み合わせを工夫することで、電気を流し高度な立体ナノ構造を有する機能材料を作ることに成功しました。
工学研究科 マテリアル工学分野 博士後期課程 3年 大畑 考司
極薄材料の評価は簡単ではありませんでしたが、立体ナノ構造や高い電気伝導を有する点を証明できた時の喜びはひとしおでした。
SDGs達成への貢献
大阪府立大学は研究・教育活動を通じてSDGs17(持続可能な開発目標)の達成に貢献をしています。
本研究はSDGs17のうち、「7:エネルギーをみんなにそしてクリーンに」「9:産業と技術革新の基盤をつくろう」等に貢献しています。
研究助成資金等
本研究の一部は、科学研究費助成事業(科研費)新学術領域「水圏機能材料」(領域代表:加藤隆史、東京大学、教授)(19H05715)、若手研究A(16H05968)、挑戦的萌芽研究(16K13610)、基盤研究B(JP20H02551)、日本学術振興会 特別研究員(21J13884)、マツダ財団研究助成、増屋記念基礎研究振興財団研究助成からの支援を受けて行われました。
用語解説
解説 多孔質
細孔を有する固体物質を多孔質材料と呼ぶ。細孔サイズは、ナノメートルサイズからミリメートルサイズまでさまざまである。材質にはセラミックス、金属、炭素、有機材料とそれらの複合物など多岐にわたる。細孔の起源も結晶構造自身、分解時の気体発生、微粒子間など多様である。吸着分離、触媒担体、濾過剤、隔膜、断熱充填剤などの用途がある。
関連情報
お問い合わせ
大阪府立大学大学院 工学研究科
准教授 牧浦 理恵(まきうら りえ)
TEL 072-254-9851 Eメール r-makiura[at]mtr.osakafu-u.ac.jp [at]の部分を@と差し替えてください。