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東北大など、カーボンナノチューブ分子ベアリングの動きを精密に解明

2015-03-06

「ナノサイズのコマ」も「歳差運動」と「自転運動」の二種で回る
理論が解き明かすカーボンナノチューブ分子ベアリングの回り方

 ※図1は添付の関連資料を参照


1 発表タイトル
 「ナノサイズのコマ」も「歳差運動」と「自転運動」の二種で回る
 理論が解き明かすカーボンナノチューブ分子ベアリングの回り方


2 発表者 東北大学/科学技術振興機構(JST)
 原子分子材料科学高等研究機構/JST ERATO 磯部縮退π集積プロジェクト
 大学院理学研究科 磯部 寛之
 東北大学 大学院理学研究科 河野 裕彦


3 発表概要
 国立大学法人東北大学の磯部寛之教授(JST ERATO 磯部縮退π集積プロジェクト研究総括)と河野裕彦教授らの共同研究グループは、最先端理論計算を駆使することで、世界最小のカーボンナノチューブ分子ベアリングの動きを精密に解明しました。具体的には、「歳差運動」と「自転運動」の二種の異なる回転様式が存在すること、低温では「歳差運動」が主体、高温ではそこに「自転運動」が加わることを解き明かしたものです。この新知見を分子設計に発展・活用することで、ナノサイズの分子運動が自在制御できるようになると期待させる成果となります。


4 発表内容
 磯部教授らのグループは、2013年に「カーボンナノチューブ分子ベアリング」の大量合成を実現していました。有限長カーボンナノチューブ分子を外枠、フラーレンを回転子としたナノサイズのベアリングです。これまでの分光分析から、このカーボンナノチューブ分子ベアリング内では回転子が軸回転していることが明らかになっていました。回転子がナノサイズのコマのように回転していたのです。分光分析ではさらに、温度を変えることで回転運動になにかしらの変化が起こることまではわかっていましたが、これまでその詳細は未解明のままとなっていました。今回の理論研究により、この謎が解き明かされました。
 今回の研究は、実験化学者と理論化学者の共同研究により、カーボンナノチューブ分子ベアリングの回転運動の詳細を明確にしたものです。研究グループは、はじめに密度汎関数法のなかで、カーボンナノチューブ分子ベアリングの理論分析に適した手法を探索しました。カーボンナノチューブ分子ベアリングは、湾曲したπ電子系が接触した独特な構造をもつため、どのような手法が適用できるのかでさえ知見がなかったためです。研究グループは十種を越える手法のなかから、平尾公彦教授(現 理化学研究所計算化学研究機構)らが開発した密度汎関数LC−BLYP法が最適であり、実験的な熱力学エネルギーを非常に精度良く再現することをつきとめました。
 研究グループでは、この手法を活用し、遷移状態計算ならびに分子動力学法計算を行うことで、カーボンナノチューブ分子ベアリングの動きを再現しました。遷移状態の探索には、化学反応経路自動探索プログラムGRRMを用いたことが効果的でした。その結果、分子ベアリングの回転には「歳差運動」と「自転運動」という二種類の異なる動きがあること(図1、2)がわかりました。
 さらに、研究グループは、温度が低い(低エネルギー状態)ときには「歳差運動」が主に起こっており、温度を高く(高エネルギー状態)するにつれ、そこに「自転運動」が加わっていくことを見いだしました。この二種類の運動の存在と、その温度による変化が、これまでの分光分析の解析を困難にした原因だったのです。
 実世界でのコマの動きでは、回し始め(高エネルギー状態)には、軸が直立した回転「自転運動」が主になりますが、回転が止まる頃(低エネルギー状態)には、首を振る「歳差運動」が主になります。今回の研究成果は、ナノサイズのコマでも、これと同じようなことが起こっていることを明らかにしたものです。ただし、今回の理論研究は、同時に、磯部教授らのナノサイズコマの回転には、摩擦(エネルギー障壁)がほとんどなく、一度エネルギーを与えると、なかなか回転が止まらないことを示しており、ナノサイズの世界でのみ起こる不思議な現象の一つをも明らかにしています。
 今回の研究成果は、ナノサイズの分子機械の分子設計に新しい方向性を示すものであり、これからの化学合成とそれを活用した新しい機能性ナノ分子機械の登場をますます期待させる成果となります。

 この研究は、JST戦略的創造研究推進事業ERATO「磯部縮退π集積プロジェクト」の一環として、また科学研究費助成事業、HPCI戦略プログラム(SPIRE)、計算物質科学イニシアティブなどを使って行ったものであり、英国王立化学会の新しい旗艦誌「ケミカル・サイエンス」誌に近日中に正式掲載されます。なお、本研究はその重要性・新規性が審査員や編集者により認められており、近日、重要論文(Hot article)として同誌ブログ内で紹介される予定です。


 研究者の氏名・所属:
  磯部 寛之(いそべ ひろゆき):
   JST ERATO 磯部縮退π集積プロジェクト 研究総括
   東北大学原子分子材料科学高等研究機構 主任研究者
   東北大学大学院理学研究科 教授
  中村 公亮(なかむら こうすけ):東北大学大学院理学研究科 博士後期課程学生
  一杉 俊平(ひとすぎ しゅんぺい):東北大学大学院理学研究科 助教
  佐藤 宗太(さとう そうた):
   JST ERATO 磯部縮退π集積プロジェクト グループリーダ
   東北大学原子分子材料科学高等研究機構 准教授
  時子山 宏明(とこやま ひろあき):和歌山大学システム工学研究科 研究員
  山門 秀雄(やまかど ひでお):和歌山大学システム工学研究科 准教授
  大野 公一(おおの こういち):
   量子化学探索研究所 所長・理事長
   東北大学 名誉教授
  河野 裕彦(こうの ひろひこ):東北大学大学院理学研究科 教授


5 発表雑誌 英国王立化学会旗艦誌ケミカル・サイエンス(Chemical Science)
  2015年2月18日 公開
  (http://dx.doi.org/10.1039/c5sc00335k
  *Chemical Science 誌の「重要論文(Hot Article)」として紹介される予定
  **Chemical Science誌の論文はOpen Accessとなっており,どなたにも本文をご覧いただけます
  論文名:Theoretical studies on a carbonaceous molecular bearing:Association thermodynamics and dual−mode rolling dynamics
  (和文:炭素性分子ベアリングの理論研究:会合熱力学と二つの回転運動)


 ※用語解説・添付図版は添付の関連資料を参照



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