カチオン交換反応中に起こるイオン性ナノ結晶の特異な変形挙動を発見―温和な条件でのナノ結晶形状制御に向けた新たな知見―

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 李展召 化学研究所博士課程学生(研究当時)、猿山雅亮 同特定准教授、寺西利治 同教授、浅香透 名古屋工業大学准教授の研究グループは、イオン性ナノ結晶のカチオン交換反応過程おいて、ナノ結晶の一部が欠損した後に元の形状に回復するという特異な変形挙動を示すことを発見しました。カチオン交換反応は、イオン性ナノ結晶のカチオン組成を容易に調整できる方法として注目されていますが、アニオン骨格が頑丈なためナノ結晶の形状を変化させることは難しいと考えられてきました。

 本研究では、六角形プレート形状の硫化銅(Cu1.8S)ナノ結晶中の銅カチオン(Cu+)をマンガンカチオン(Mn2+)で置換していく過程で、まず一部が欠損した半月形状へと変化した後に、再び元の六角形プレート形状をもつ硫化マンガン(MnS)ナノ結晶が生成するという、特異な変形プロセスが起こることを発見しました。形状変化途中の構造を高分解能電子顕微鏡観察によって解析することで、プレート上でのカチオン交換の異方的な開始と進行、Cu1.8Sの部分溶解、およびMnSの再析出が協働する結果として、月の位相(欠け・満ち)のような変形挙動を示すことを明らかにしました。Mn2+以外の金属カチオンでは異なる傾向が見られ、カチオン交換反応速度が形状変化メカニズムに大きく関わることも分かりました。これらの知見は、従来の方法では合成できないような複雑なナノ構造体を温和な条件で作製するための技術につながると期待されます。

 本研究成果は、2024年6月8日に、国際学術誌「Nature Communications」にオンライン掲載されました。

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概要図:プレート型イオン性ナノ結晶のカチオン交換反応中に起こる異方変形と再生
研究者のコメント
「イオン性ナノ結晶のカチオン交換に関する研究は数多く報告されており、成熟した技術になりつつありますが、半月状のナノ結晶を電子顕微鏡で初めて見たときに、まだまだ見つかっていないことはたくさんあるんだなあ、と非常に興奮したことを覚えています。これからも新しい現象を見逃さないように丁寧な実験と注意深い観察を続けて、ナノ構造の精密制御につながる有用な化学的手法を開拓していきたいと考えています。」(猿山雅亮)
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