理研,π骨格の表面合成と化学的同定に成功

理化学研究所(理研)は,炭素材料の電子および光学特性を支配するπ骨格を表面カップリング反応によって生成し,単一化学結合レベルにおける化学的同定と結合の制御に成功した(ニュースリリース)。

低次元(ゼロから二次元まで)の炭素ナノ構造およびナノ材料は非局在化しているπ電子が存在するため,電子および光学特性に優れている。そのため近年,種々の合成炭素同素体および関連の炭化水素の研究が盛んに行なわれている。

これらの構造および特性を調整するにはπ骨格を正確に識別し,合成中に精密に制御する必要がある。

表面科学の急速な進歩により,現在では,新しい炭素骨格を表面合成によって戦略的に生成できるまでになっている。特に,走査型プローブ顕微鏡は,サブ分子スケールで表面形状を画像化でき,豊富な骨格情報を提供する。

しかし,合成中のπ骨格の精密な同定と制御には,形状像の情報だけでは不十分であり,単一化学結合を同定することが非常に重要となる。しかし,このような複雑な分子における単一化学結合の化学的同定は長年の課題だった。

そこで共同研究グループは,表面合成の戦略に基づき,一般的にグラフディン関連のナノ構造を生成すると考えられている末端アルキンのカップリング反応を利用して,π骨格を形成し,単一化学結合レベルで生成π骨格の可視化と同定を可能にする手法の開発と実証を試みた。

今回,研究グループは,銀基板表面上に末端アルキン分子を蒸着し加熱することでπ骨格を表面合成し,走査型トンネル顕微鏡(STM),走査トンネル分光(STS),先端増強ラマン散乱(TERS)技術を組み合わせた手法により,サブ分子スケールにおける形状評価だけでなく,単一化学結合レベルで炭素骨格の電子状態および局所的な振動モードの検出に成功した。

これにより,従来のSTM観察だけでは判別できなかった未知の炭素骨格を明らかにした。また,この手法は単一化学結合の分光情報に基づく化学的感度を持ち,炭素骨格の結合次数を決定する有望な手法であることが示された。さらに,単一化学結合レベルでの化学的同定に基づいて,STMの探針からターゲット分子への電圧パルスを印加して結合制御を行ない,脱水素化が起こることも明らかにした。

研究グループは,今回示した方法論は表面化学における化学配置の正確な同定と決定において非常に有用で,新しい炭素骨格を表面合成によって原子精度で生成する技術へのさらなる応用が期待できるとしている。

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