都市環境科学研究科

環境応用化学域

髙木 慎介

最終更新日:2019/02/28

粘土鉱物―色素複合体からなる機能性色素材料の開発

光、ポルフィリン、粘土鉱物、ソルバトクロミズム、光捕集系モデル、超高速時間分解測定、有機金属錯体、人工光合成、サイズマッチングルール

  • 高木 慎介

  • Shinsuke TAKAGI

  • 嶋田 哲也

  • Tetsuya Shimada

研究概要

高木研究室では、「自然に学び自然を超える」を合言葉に、分子レベルでの配列制御に関する「ナノ構造化学」と、物質の光照射下での挙動について調べる「光化学」を密接に関連付けることにより、光機能性ナノ材料の創出、人工光合成型物質変換反応の構築などの実現を目指して研究を進めている。
分子を配列、配向させることは究極のナノテクノロジーの一つであり、これまでの化学では不可能だったナノ材料の開発や、精緻な化学反応系の構築が可能となる。その最たる例が、植物による光合成反応である。
植物の光合成反応は、地球上での生命活動を支えるもっとも重要な化学反応の一つだ。太陽光を吸収し、炭水化物と酸素という化学エネルギーの高い物質を生産している。地球上のほとんどの生物が、光合成反応の産物を利用して生きており、光合成なしには生存できない。その光合成反応は、まさに分子の配列、配向によって機能している。
高木研究室では、分子レベルで制御された構造における光化学反応の研究を行ってきた。独自に見いだした分子配列技術を用いて、新しい材料・構造を研究している。実際に光化学反応を行い、高効率な光化学過程(電子移動、エネルギー移動)の実現、多段階の光化学過程の連結等を目指し、これまでに人工光捕集系モデルなどを提案した。これは人工光合成につながる研究である。
さらに、分子配列に有効な光機能性ナノ材料の素材として、環境に優しい粘土鉱物の研究を行っている。粘土鉱物の粒子は、原子レベルで極めて平面であり、表面に適当な密度の負電荷を有していることから、多くの物質と複合体を形成することが可能である。高機能化を目指した新しい粘土鉱物複合体の開発を行い、周囲の環境によって色調が変化するソルバトクロミズム材料の開発に成功した。これは、新たな化学反応制御法の発見、機能性色素材料の開発につながる研究である。
これらの研究項目は、見かけ上のアプローチは異なっていてもお互いに密接に関連しており、これらの研究を発展、融合させていくことで、化学現象(物質変換反応、エネルギー変換反応)を予測し、意のままに制御することを目指している。

最近のトピックス

今後の展望

機能性色素材料の開発や人工光合成を実現するためには、多くのアプローチが必要となる。高木研究室では、「光合成反応」に学び、多角的に研究を進め、ナノ構造化学と光化学の融合による新規な材料、反応系の開発を目指している。
光合成反応では、最適な状態に分子を配列、配向させることにより高度な反応を実現している。これまでに、配列原理として、「Size-Matching Rule(サイズマッチング則)」を発見、提唱した。
光合成反応は分子配列を巧みに利用している理想的なエネルギー変換反応であり、人工光合成の実現は、研究者の夢のひとつである。人工光合成を実現できれば、環境問題、エネルギー問題に大きく貢献することができると考えている。

左:周囲の溶媒環境により色調が変化するソルバトクロミズム材料
右:ジメチルホルムアミドにより描かれた文字列“CLAY” 左:周囲の溶媒環境により色調が変化するソルバトクロミズム材料 右:ジメチルホルムアミドにより描かれた文字列“CLAY”
産業界や自治体の課題のうちで、適用可能な例 環境応答性色素センサー、環境浄化材料

印刷用はこちら