アズピレンを用いたナノグラフェンおよび類縁体の合成と応用

氮芘纳米石墨烯及其类似物的合成及应用

基本信息

批准号：
17F17782
负责人：
中村栄一
金额：
$ 1.41万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2017
资助国家：
日本
起止时间：
2017-11-10 至 2019-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17F17782/
关键词：
二次元薄膜自己集合ドーピング

项目摘要

グラフェンの部分構造を切り出したナノグラフェン類は，新しい機能性材料として近年特段の興味を集めているが，そのほとんどがグラフェンの規則構造である六員環を骨格とした設計である．本研究では，グラフェンの欠陥として存在することが知られる五員環や七員環を含む新規ナノグラフェンとして，アズレンを縮環したアズピレンを基本骨格とするナノグラフェンの合成と，その機能開拓に取り組む．共通中間体を経る効率的合成法と，高分解能電子顕微鏡による構造解析を駆使し，様々なアズピレン誘導体を合成し，その物性を探索する．全く新しい構造をもったこれら化合物は従来のナノグラフェン類にない光学特性，および電子特性を示すことが予想されている．本研究では当初，新規ナノグラフェンとして，アズレンを縮環したアズピレンを基本骨格とするナノグラフェンの合成に取り組んだが，目的の化合物を得ることができなかった．そこで，アプローチを変えて，適切に官能基化したフラーレンの自己集合によって二分子膜を作製し，これを後に有機小分子によってドーピングして積層グラフェン様の薄膜を形成させる方針に変更して研究を進めた．その結果，両親媒性フラーレンを水面上に注意深く配列させることで厚さ３ｎｍの膜を生成させることに成功し，電子顕微鏡観察および電子線回折によって，これがアモルファスの膜であることを確認した．また様々な有機分子をドーピングしても安定に膜が形成することを見いだした．様々な単離法を案出して，空気中でも独立に存在する膜として取り出し，この膜に対して，紫外可視光吸収，赤外吸収，ラマンスペクトルなどの基本物性を精査し，また，Ｘ線回折，中性子線回折による構造解析および電子顕微鏡によって分子集合体の集合構造の解析に取り組んだ．その結果，単離した膜は，プロトン移動による導電性を示す数ナノメートルの厚さの分子性の膜であることが分かった．

通过切除石墨烯的部分结构而获得的纳米石墨烯作为新型功能材料近年来引起了特别的关注，但它们大多数都设计有六元环骨架，这是石墨烯的有序结构。在这项研究中，我们将合成一种含有五元环和七元环的新型纳米石墨烯（已知这些环是石墨烯中的缺陷），其基本骨架是与天青石融合的天青石，并开发其功能。通过充分利用常见中间体的高效合成方法和高分辨率电子显微镜的结构分析，我们将合成各种氮芘衍生物并探索其物理性质。这些具有全新结构的化合物有望表现出传统纳米石墨烯所没有的光学和电子特性。在这项研究中，我们最初尝试合成一种以天青石为基本骨架并与天青石融合的新型纳米石墨烯，但未能获得所需的化合物。因此，我们改变了方法，通过适当功能化的富勒烯的自组装来创建双层薄膜，然后掺杂小有机分子以形成层状石墨烯状薄膜。结果，我们通过在水面上仔细排列两亲性富勒烯，成功地制备了3纳米厚的薄膜，并通过电子显微镜和电子衍射证实这是一种非晶态薄膜。我们还发现，即使掺杂各种有机分子，也可以稳定地形成薄膜。我们设计了各种分离方法来提取即使在空气中也独立存在的薄膜，并检查了这些薄膜的基本物理性质，例如紫外-可见光吸收、红外吸收和拉曼光谱以及X射线衍射，我们利用中子束衍射和电子显微镜进行结构分析，对分子组装体的聚集结构进行分析。结果发现，分离的膜是几纳米厚的分子膜，由于质子转移而表现出导电性。