京大ら,光でイオンのスイッチングに成功

JST戦略的国際共同研究プログラム(SICORP)の一環として,京都大学,仏IRCELYON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た(ニュースリリース)。

固体中で①どれだけ高速にイオンを流すか,②どのようにイオンの動きに方向性を持たせるか,そして③どのようにイオンを動かし止めるか。というイオンを扱う研究(イオニクス)は電子を扱うエレクトロニクスと比べデバイスなどへの応用が進展しておらず,新しい材料の創出や機構の解明が必須となっている。

③に関連する固体中におけるイオン伝導のスイッチング,すなわち人為的に刺激を与えることでイオンの流れを作ったり,止めたりする材料は,その可逆性や応答性を利用したメモリやセンシング素子としての活用が期待されるが,刺激を与えたとき,固体全体に渡ってイオンの流れを変えうる構造体の設計と合成が難しいため,新たな物質が求められていた。

研究では,近年注目されている新たなイオン伝導性材料である「配位高分子」を用い,スイッチング特性をもつイオン伝導体の合成を検討した。光に応答するイオン伝導性を固体中に持たせるには,固体全体においてイオンが伝導できる特性と,光に応答してその伝導の流れを変えられる分子の両方が存在する必要があった。

研究グループは,配位高分子の中から,亜鉛イオン(Zn2+)とリン酸(H3PO4),イミダゾールが結晶中でネットワークを組む結晶を用いた。この結晶は構造の内部に多くの動きうるプロトン(H)を持っており,さらにこの結晶は160℃で安定な液体となる珍しい配位高分子。この融解現象を利用し,光の刺激によってプロトンを放出・再結合する「ピラニン」と呼ばれる有機分子を配位高分子の溶液中に分散させた後に冷却することで,ピラニン分子を結晶全体に分散させた光応答性イオン伝導体の固体材料の合成に成功した。

合成した固体材料に光の照射を行なうことにより,内部のピラニン分子がプロトンを結晶中で放出し,固体全体のプロトン伝導度が上昇した。そして光の照射を止めることで放出されたプロトンはピラニンに再結合し,プロトン伝導度も元の値に戻った。このように,合成材料の見た目は光照射の有無にかかわらず固体のままで,イオン伝導のスイッチングが安定かつ可逆的に行なわれることを確認した。

光や磁場といった外からの刺激により固体全体あるいは構造の一部のイオン伝導特性をスイッチングできる材料をより合理的に設計できるようになれば,これまで電子,エレクトロニクスの分野で応用されてきたメモリやトランジスタといったデバイスをイオンに置き換えた新たな技術が生まれる。サイズや電荷において多彩なイオンは,電子とは異なる振る舞いを固体で示し,イオンならではの特性が期待される。

今回用いた材料である配位高分子は,内部に分子を均一に導入できること,また無機物と有機物の中間の機械特性や作動温度範囲などの利点を持つ。研究では結晶融解現象を利用しており,液体から固体に戻す時に工夫すれば膜や線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,こ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るとしている。

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