【本学研究者情報】

〇多元物質科学研究所　教授　芥川智行
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• イオンチャネル^注１と強誘電体^注２構造を分子集合体中で共存させることに成功した。
• イオン変位が新たな分極構造を誘起し、強誘電体メモリ^注３のスイッチング特性を決定する重要なパラメータである残留分極値^注４を増加させた。
• チャネル内のイオンサイズによりイオン変位量が変化し、強誘電体の電場－分極曲線の残留分極値が制御可能であった。

【概要】

有機材料では有機合成化学の手法から多様な分子集合体構造が設計可能であり、様々な機能を複合化することができます。東北大学多元物質科学研究所の原国豪博士、芥川智行教授らは、イオンチャネル構造を有する液晶性クラウンエーテル^注５誘導体と液晶性強誘電体からなる混晶を作製し、イオン伝導性^注６と強誘電性が共存した新規な分子集合体構造の開発に成功しました。本来、伝導性と強誘電性は相反する性質と考えられてきましたが、強誘電体メモリとしての性能を向上させる事がわかりました。分子集合体における多重機能性の実現は、新たな動作原理によるフレキシブル有機メモリの開発を可能とし、その性能向上および次世代に有機エレクトロニクス創製に向けた新たな指針を提案します。

本研究の成果は英国現地時間の2021年9月28日、学術誌Chemical Scienceにてオンライン掲載されました。

【用語解説】

注1．イオンチャネル
Na⁺やK⁺などの各種イオンを能動的?選択的に透過させることができる一次元構造であり、生体膜に存在するタンパク質です。活動電位の発生?受容器電位の発生?静止膜電位の維持などに関与し、生体活動における重要な役割を果たしています。この様なイオンチャネルを有機合成化学の手法で人工的に実現する研究が数多く行われています。

注2．強誘電体
外部に電場がなくても双極子モーメントが整列しており、かつその方向が外部電場に対して反転できる物質です。双極子モーメントが自発的に整列した状態が強誘電状態でランダムな状態が常誘電体となり、温度により常誘電体－強誘電体相転移を示します。代表的な物質としてチタン酸バリウム BaTiO₃ やチタン酸ジルコン酸鉛 Pb(Zr, Ti)O₃（PZT）があり、強誘電体メモリなどに使用されています。

注3．強誘電体メモリ
FeRAMと呼ばれる不揮発性のメモリであり、強誘電体の電場－分極曲線のヒステリシス（履歴）現象に依存した正負の残留分極（自発分極）をデジタルデータの1と0に対応させたメモリです。

注4．残留分極値
強誘電体の表面に存在する単位体積当たりの電気双極子は、外部電場に応じて正と負にその符号を変化する事ができ、それを自発分極と呼びます。 電場－分極ヒステリシス曲線で、外部電場を0にした時に表面に残っている分極の値を残留分極 P_rとよび、外部電場により分極の符号が反転できます。

注5．クラウンエーテル
構造式 (-CH₂CH₂O)_n で表される大環状のエーテル分子です。例えば、n = 6の分子は18-クラウン-6-エーテルと呼ばれます。エーテル環の内側に存在する複数の酸素原子の非共有電子対が金属カチオンに配位し、安定にカチオンを取り込んだ包接構造を形成します。

注6．イオン伝導性
固体中におけるイオンの拡散による電気伝導性です。例えば、イオンチャネル内のイオン拡散はイオン伝導性を発現させることができます。電子伝導性と比べるとその絶対値は小さいですが、Li⁺イオンやH⁺の伝導は高性能なリチウムイオン電池や燃料電池の実現に重要な役割を果たしています。

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学多元物質科学研究所
教授　芥川　智行（あくたがわ ともゆき）
電話：022-217-5653
E-mail：akutagawa*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（報道に関すること）
東北大学多元物質科学研究所
広報情報室
電話：022-217-5198
E-mail：press.tagen*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）