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科研費 基盤S
完全制御カーボンナノチューブの物性と応用
日本学術振興会 平成25年度 基盤研究(S)

研究概要
単層カーボンナノチューブ(SWCNT)は、1993年に日本で発見された、炭素一原子層からできた直径1ナノメート程度の筒状物質であり、優れた物理的・電気的特性を持つ事から、様々な分野での応用が期待されている。しかし、発見から20年も経過したにも関わらず、いまだに炭素原子間の結合距離でさえ、正確な値が得られていない。それは、単結晶が得られていないためである。SWCNTは、原子の配列に極めて高い自由度を持つため、合成時に直径を注意深く制御した試料でさえ、数十種類の構造体の混合物になってしまい、そのままでは単結晶を作ることができない。 そこで本研究では、我々が開発したゲルカラムクロマトグラフィー法により、数十種類の混合物から一種類だけを高純度で大量に分離精製し、SWCNTの単結晶を作製する事を第一の目的としている。単結晶ができれば、たとえばX線構造解析により、炭素原子間距離も正確に測定することが可能になる。物性研究では当たり前に行われるこの基礎的な研究が、発見から20年の時を経て、単結晶を実現する事により、ようやく実現する事になる。

研究代表者:片浦弘道(産総研ナノ材料研究部門)
研究期間:2013年4月1日〜2018年3月31日

本研究課題では、CREST課題で開発したゲルカラムクロマトグラフィー法を改良し、単一構造のCNTを大量分離する事を目指している。以前の方法では、小さなカラムに大量のCNTを投入することにより、ゲル担体の吸着サイトに飽和が生じ、吸着力の強いCNTのみが残留するという選択性を利用していた。この方法は、簡単に単一構造CNTを分離できるという利点を持つが、大量処理を行うには、手間暇がかかる。この手間暇を自動化した装置で実現する事も可能であるが、カラムクロマトグラフィー法の利点を活かし、もっと効率的に分離する技術を開発した方が好ましい。本研究課題では、複雑に混合された複数の界面活性剤の組み合わせを使い、一発で単一構造CNTを大量分離する事を目指している。

メンバー
研究代表者:片浦 弘道
分担者:田中丈士、藤井俊治郎、平野 篤
ポスドク:王 国偉
テクニカルスタッフ:都築真由美、久保田真理子
旧メンバー
ポスドク:魏 小均(現・中国科学アカデミー研究員)
ポスドク:蓬田陽平(現・首都大学東京助教)
テクニカルスタッフ:平川琢也

ニュース
人事
2017.12.5: ポスドクの魏 小均氏が中国科学アカデミーの研究員に就任しました。
2016.4.1: ポスドクの蓬田氏が首都大学東京の助教に就任しました。
2016.4.1: 新人ポスドクとして王 国偉氏が加わりました。

受賞(ポスドク)
1. 蓬田陽平:第37回応用物理学会講演奨励賞, 応用物理学会, 2014年9月
段階溶出による単層カーボンナノチューブの大量構造分離

2. 蓬田陽平:第11回飯島奨励賞, フラーレン・ナノチューブ・グラフェン学会, 2014年9月
高純度(9,4)および(10,3)単層カーボンナノチューブのミリグラムスケール分離

3.魏小均:第48回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム 若手奨励賞
「単一構造単層カーボンナノチューブ光学異性体の光学特性」
“Optical Properties of Optical Isomer of Single-Chirality SWCNTs”

4.魏小均:第77回応用物理学会ポスター賞を受賞
5.魏小均:第13回飯島賞受賞2016.10.16.

All Publication list of the project


32. "Direct Proof of a Defect-Modulated Gap Transition in Semiconducting Nanotubes"
Ryosuke Senga, Thomas Pichler, Yohei Yomogida, Takeshi Tanaka, Hiromichi Kataura, and Kazu Suenaga, Nano Lett., (2018) in press. (DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b01284)

31. "High-yield and high-throughput single-chirality enantiomer separation of single-wall carbon nanotubes"
Xiaojun Wei, Takeshi Tanaka, Takuya Hirakawa, Mayumi Tsuzuki, Guowei Wang, Yohei Yomogida, Atsushi Hirano, Hiromichi Kataura, Carbon 132 (2018) pp. 1 - 7.(DOI: 10.1016/j.carbon.2018.02.039)

30. "Facile synthesis of guar gum gel for the separation of metallic and semiconducting single-wall carbon nanotubes"
Guowei Wang, Xiaojun Wei, Takeshi Tanaka, Hiromichi Kataura, Carbon 129 (2018) pp. 745 - 749. (DOI: 10.1016/j.carbon.2017.12.064)

29. "Metallic versus Semiconducting SWCNT Chemiresistors: A Case for Separated SWCNTs Wrapped by a Metallosupramolecular Polymer"
Shinsuke Ishihara, Curtis J. O狸elly, Takeshi Tanaka, Hiromichi Kataura, Jan Labuta, Yoshitaka Shingaya, Tomonobu Nakayama, Takeo Ohsawa, Takashi Nakanishi, and Timothy M. Swager, ACS Appl. Mater. Interfaces 9 (2017) pp. 38062 - 38067. (DOI: 10.1021/acsami.7b12992)

28. "Determination of Enantiomeric Purity of Single-Wall Carbon Nanotubes using Flavin Mononucleotide"
Xiaojun Wei, Takeshi Tanaka, Takuya Hirakawa, Yohei Yomogida, and Hiromichi Kataura, J. Am. Chem. Soc. 139 (2017) pp. 16068-16071. (DOI: 10.1021/jacs.7b09142)
This paper was selected as "Spotlights on Recent JACS Publications."J. Am. Chem. Soc., 2017, 139 (47), pp 16997・6998

27. "Amperometric Detection of Sub-ppm Formaldehyde Using Single-Walled Carbon Nanotubes and Hydroxylamines: A Referenced Chemiresistive System"
Shinsuke Ishihara, Jan Labuta, Takashi Nakanishi, Takeshi Tanaka, and Hiromichi Kataura, ACS SENSORS 2 (2017) pp. 1405 - 1409.(DOI: 10.1021/acssensors.7b00591)

26. "Carbon Nanotubes Facilitate Oxidation of Cysteine Residues of Proteins"
Atsushi Hirano, Tomoshi Kameda, Momoyo Wada, Takeshi Tanaka, and Hiromichi Kataura, J. Phys. Chem. Lett. 8 (2017) pp. 5216 - 5221. (DOI: 10.1021/acs.jpclett.7b02157)

25. "High-Efficiency Separation of (6,5) Carbon Nanotubes by Stepwise Elution Gel Chromatography"
X. Wei, T. Tanaka, T. Hirakawa, G. Wang, H. Kataura, Phys. Status Solidi (b) 254 (2017) pp. 1700279 - 1 - 4. (DOI: 10.1002/pssb.201700279)

24. "Diameter-Selective Separation of Semiconducting Single-Walled Carbon Nanotubes in Large Diameter Range"
G. Wang, X. Wei, T. Tanaka, H. Kataura, Phys. Status Solidi (b) 254 (2017) pp. 1700294 - 1 - 4.(DOI: 10.1002/pssb.201700294)

23. "Tunable room-temperature single-photon emission at telecom wavelengths from sp3 defects in carbon nanotubes"
Xiaowei He, Nicolai F. Hartmann, Xuedan Ma, Younghee Kim, Rachelle Ihly, Jeffrey L. Blackburn, Weilu Gao, Junichiro Kono, Yohei Yomogida, Atsushi Hirano, Takeshi Tanaka, Hiromichi Kataura, Han Htoon, and Stephen K. Doorn, Nature Photonics, 11 (2017) pp. 577 - 582. (DOI:10.1038/nphoton.2017.119)

22. [Open Access]"Near-Infrared Photoluminescent Carbon Nanotubes for Imaging of Brown Fat"
Masako Yudasaka, Yohei Yomogida, Minfang Zhang, Takeshi Tanaka, Masako Nakahara, Norihiko Kobayashi, Yuko Okamatsu-Ogura, Ken Machida, Kazuhiko Ishihara, Kumiko Saeki, Hiromichi Kataura, Sci. Reports 7 (2017) 44760. (DOI: 10.1038/srep44760)

21. [Open Access]"Experimental determination of excitonic band structures of single-walled carbon nanotubes using circular dichroism spectra"
Xiaojun Wei, Takeshi Tanaka, Yohei Yomogida, Naomichi Sato, Riichiro Saito, and Hiromichi Kataura, Nat. Commun. 7 (2016) pp.12899-1 - 9. (DOI: 10.1038/ncomms12899)

20. [Open Access]"Industrial-scale separation of high-purity single-chirality single-wall carbon nanotubes for biological imaging"
Yohei Yomogida, Takeshi Tanaka, Minfang Zhang, Masako Yudasaka, Xiaojun Wei, and Hiromichi Kataura, Nat. Commun. 7 (2016) pp. 12056 -1-8. (DOI: 10.1038/ncomms12056)

19. "Single-Chirality Separation and Optical Properties of (5,4) Single-Wall Carbon Nanotubes"
Xiaojun Wei, Takeshi Tanaka, Naoto Akizuki, Yuhei Miyauchi, Kazunari Matsuda, Mari Ohfuchi, and Hiromichi Kataura, J. Phys. Chem. C 120 (2016) pp. 10705-10710. (DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b03257)

18. "Semitransparent Inverted Organic Solar Cells Using an Oxide/metal/oxide Transparent Anode"
Shunjiro Fujii, Kosei Hashiba, Tetsuo Shimizu, Yasushiro Nishioka, Hiromichi Kataura, Journal of Photopolymer Science and Technology 29 (2016) pp. 547 - 551. (DOI: 10.2494/photopolymer.29.547)

17. "Self-assembled oleamide layer applied for cathode buffer layer of bulk heterojunction solar cells based on PTB7:PC71BM"
Tatsuki Yanagidate, Koudai Kiriishi, Shunjiro Fujii, Hiromichi Kataura and Yasushiro Nishioka, Jpn. J. Appl. Phys. 55 (2016) pp. 02BF02-1 - 7. (DOI:10.7567/JJAP.55.02BF02)

16. "Metallization of single-wall carbon nanotube thin films induced by gas phase iodination"
A.A. Tonkikh, V.I. Tsebro, E.A. Obraztsova, K. Suenaga, H. Kataura, A.G. Nasibulin, E.I. Kauppinen, E.D. Obraztsova, Carbon 94 (2015) pp. 768-774. (DOI:10.1016/j.carbon.2015.07.062)

15. "Simultaneous Chirality and Enantiomer Separation of Metallic Single-Wall Carbon Nanotubes by Gel Column Chromatography"
T. Tanaka, Y. Urabe, T. Hirakawa, and H. Kataura, Anal. Chem. 87 (2015) pp. 9467-9472. (DOI:10.1021/acs.analchem.5b02563)

14. "Exciton splitting in semiconducting carbon nanotubes in ultrahigh magnetic fields above 300 T"
D. Nakamura, T. Sasaki, W. Zhou, H. Liu, H. Kataura, and S. Takeyama, Phys. Rev. B 91 (2015) pp. 235427-1-7. (DOI:10.1103/PhysRevB.91.235427)

13."Bulk Heterojunction Organic Solar Cells Fabricated Using the Push Coating Technique"
S. Kobayashi, D. Kaneto, S. Fujii, H. Kataura and Y. Nishioka, J. Chinese Adv. Mater. Soc. 3 (2015) pp. 1 -8. (DOI:10.1080/22243682.2014.977821)

12. "Experimental analysis of coherent supercontinuum generation and ultrashort pulse generation using cross-correlation frequency resolved optical gating (X-FROG)"
A. Okamura, Y. Sakakibara, E. Omoda, H. Kataura, and N. Nishizawa, J. Opt. Soc. Am. B 32 (2015) pp. 400 - 406. (DOI:10.1364/JOSAB.32.000400)

11. "Supercontinuum generation for ultrahigh-resolution optical coherence tomography at wavelength of 0.8 mm using carbon nanotube fiber laser and similariton amplifier"
Y. Nomura, H. Kawagoe, Y. Hattori, M. Yamanaka, E. Omoda, H. Kataura, Y. Sakakibara, N. Nishizawa, Appl. Phys. Express 7 (2014) pp. 122703-1-4. (DOI: 10.7567/APEX.7.122703)

10. [Open Access]"Relative Ordering between Bright and Dark Excitons in Single-walled Carbon Nanotubes"
Weihang Zhou, Daisuke Nakamura, Huaping Liu, Hiromichi Kataura & Shojiro Takeyama, Scientific Reports 4 (2014) pp. 6999 (1-6). (DOI:10.1038/srep06999)

9. "Optical Isomer Separation of Single-Chirality Carbon Nanotubes Using Gel Column Chromatography"
Huaping Liu, Takeshi Tanaka, and Hiromichi Kataura, Nano Lett. 14 (2014) pp. 6237 - 6243. (DOI:10.1021/nl5025613)

8. "Air-stable high-efficiency solar cells with drytransferred single-walled carbon nanotube films"
Kehang Cui, Anton S. Anisimov, Takaaki Chiba, Shunjiro Fujii, Hiromichi Kataura, Albert G. Nasibulin, Shohei Chiashi, Esko I. Kauppinen and Shigeo Maruyama, J. Mater. Chem. A 2(2014) pp. 11311 - 11318. (DOI:10.1039/c4ta01353k)

7. "Real-Time Spectroscopy of Single-Walled Carbon Nanotubes for Negative Time Delays by Using a Few-Cycle Pulse Laser"
Takayoshi Kobayashi, Zhaogang Nie, Bing Xue, Hiromichi Kataura, Youichi Sakakibara, and Yasumitsu Miyata, J. Phys. Chem. C 118 (2014) pp. 3285 - 3294. (DOI: 10.1021/jp409202z)

6. "Ultrafast Generation of Fundamental and Multiple-order Phonon Excitations in Highly-Enriched (6,5) Single-Wall Carbon Nanotubes"
Yong-Sik Lim, Ahmad R. T. Nugraha, Sung-Jae Cho, Min-Young Noh, Eun-Jin Yoon, Huaping Liu, Ji-Hee Kim, Hagen Telg, Erik H. Haroz, Gary D. Sanders, Sung-Hoon Baik, Hiromichi Kataura, Stephen K. Doorn, Christopher J. Stanton, Riichiro Saito, Junichiro Kono, and Taiha Joo, Nano Lett. 14 (2014) pp. 1426 - 1432. (DOI:10.1021/nl404536b)

5. "pH- and Solute-Dependent Adsorption of Single-Wall Carbon Nanotubes onto Hydrogels: Mechanistic Insights into the Metal/Semiconductor Separation"
Atsushi Hirano, Takeshi Tanaka, Yasuko Urabe, and Hiromichi Kataura, ACS NANO 7 (2013) pp. 10285-10295. (DOI: 10.1021/nn4046776)

4. "Exciton-phonon bound complex in single-walled carbon nanotubes revealed by high-field magneto-optical spectroscopy"
Weihang Zhou, Tatsuya Sasaki, Daisuke Nakamura, Hiroaki Saito, Huaping Liu, Hiromichi Kataura, and Shojiro Takeyama, Appl. Phys. Lett. 103 (2013) pp. 233101-1-4. (DOI: 10.1063/1.4837415)

3. "In situ X-ray diffraction observation of two-step fullerene coalescence in carbon peapods"
C. Bousige, S. Rols, E. Paineau, S. Rouziere, C. Mocuta, H. Kataura and P. Launois, EPL 103 (2013) pp. 66002-p1-p6. (DOI: 10.1209/0295-5075/103/66002)

2. "Internal charge transfer in metallicity sorted ferrocene filled carbon nanotube hybrids"
Markus Sauer, Hidetsugu Shiozawa, Paola Ayala, Georgina Ruiz-Soria, Xianjie Liu, Alexander Chernov, Stefan Krause, Kazuhiro Yanagi, Hiromichi Kataura, Thomas Pichler, Carbon 59 (2013) pp. 237 - 245. (DOI: 10.1016/j.carbon.2013.03.014)

1. "Self-Assembled Micro-Honeycomb Network of Single-Walled Carbon Nanotubes for Solar Cells"
Kehang Cui, Takaaki Chiba, Shuichiro Omiya, Theerapol Thurakitseree, Pei Zhao, Shunjiro Fujii, Hiromichi Kataura, Erik Einarsson, Shohei Chiashi, and Shigeo Maruyama, J. Phys. Chem. Lett. 4 (2013) pp. 2571 - 2576. (DOI: 10.1021/jz401242a)


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