有機・高分子ナノ結晶
Organic and Polymer Nanocrystals

独立行政法人 物質・材料研究機構 ナノマテリアル研究所 主席研究員

及川 英俊

HIDETOSHI OIKAWA
National Institute for Materials Science, Nanomaterials Laboratory, Senior Researcher
国立大学法人 東北大学 多元物質科学研究所 助教授

笠井 均

HITOSHI KASAI
Tohoku University, Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials, Associate Professor
国立大学法人 東北大学 多元物質科学研究所 所長・教授

中西 八郎

HACHIRO NAKANISHI
Tohoku University, Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials, Director, Professor

1. はじめにいナノ科学という未踏分野である。ナノ粒子の電気伝導性や比熱、帯磁率の特異な挙動（久保効果）や非線形

昨今の報道等から「ナノテク」という言葉はすっかり定着

光学感受率の増大は好例である。

し、その市民権を得たように思える。2000年、米国の「ナ無機・半導体ナノ粒子の大型研究プロジェクトは既にショナル・ナノテクノロジー・イニシアティブ」を受けて、我が1980年代に始まっており、現在、バイオ標識を想定した蛍国でも「科学技術基本計画」が平成13年3月に閣議決定

光性半導体ナノ粒子や局在表面プラズモンによる電場増された。この中でライフサイエンス、情報・通信、環境とと強効果を期待した金・銀ナノ粒子、フォトニッククリスタルなもにナノテクノロジー・材料が重要な施策の一つとして認どに関しての研究が広範に展開されている。一方、高分知され、その潮流は益々加速されている。

子コロイド・マイクロスフェアは既に大きな材料体系を築い

この分野で想定されるアウトプットは既に1960年代初頭ており、その設計・合成、表面修飾・改質、複合・カプセルから提唱されており、これまでの科学・技術の着実な進展化手法は精緻に発達し、塗料、接着剤、カラム用充填剤、が基盤となるものの、その一方で、明らかに従来の延長トナー、医療診断用担体、液晶表示パネル用スペーサー

線上には無い全く新しい発想も求められている。例えば、をはじめ土木・建築、食品工業分野でも幅広く用いられて大容量記憶、超高速演算処理を目指してきた半導体分いる。しかしながら、無機・半導体材料と比べて、有機・野における微細加工技術の進歩は「トップダウン型」ナノテ

高分子材料分野では明確に定義された「ナノ結晶」の研クの典型であるが、ここでの限界や問題点を克服するた究は遅れていた。例えば、有機EL材料や色素増感太陽めに量子ドットや分子素子の検討が始まっている。分子電池などに用いられる種々の機能性有機色素の場合も、素子の構築では、分子が持つ「自己組織化」の性質を巧

実際の取り扱いではナノまたはマイクロサイズの結晶凝集みに利用した「ボトムアップ型」プロセスを用いる。分子素体あるいはその薄膜であった。

子材料として、カーボンナノチューブやフラーレン、π−共役

本稿では有機・高分子ナノ結晶の作製法、光学特性か系有機・高分子、DNAなどが注目されているが、材料そら、材料化・複合化に至る一連の研究成果について紹のものの創製も重要な鍵となる。

介する。

フェルミ波長以下のナノサイズ領域では、物質・材料の電子準位は離散化し、様々な性質が異なってくる（量子2. 有機・高分子ナノ結晶の作製法：再沈法

サイズ効果）。つまり、ナノサイズにある有限個の原子・分子集団（ナノ粒子、ナノ結晶、クラスター）は単一原子・分無機・半導体ナノ粒子の場合、真空蒸着法（例えば、子とバルク固体の単なる中間状態ではなく、その物性はMOCVD法）による基板上への半導体量子ドットの形成サイズに対して決して直線的には変化しない。これまでのやガラスマトリクス中での溶融析出法が一般的であるが、分子科学と固体物理学では扱いきれない非常に興味深

いずれも高温・加熱操作を伴い、熱に不安定な有機物にTHE CHEMICAL TIMES 2005 No.1（通巻195号）

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は適用できない。また、TOPO法による半導体ナノ粒子や数百nm）や形状は注入溶液の濃度、貧溶媒温度などで還元法による金・銀ナノ粒子の作製は分散媒体中での不制御可能となった（図2）。さらに、界面活性剤SDSを添均一反応であり、対象物質の生成とその核発生・結晶成加し、貧溶媒温度を高めるとファイバー状（直径：約50 nm、長過程が同時に進行するため、通常の有機合成反応と長さ：1 µm以上）のPDAナノ結晶も得られた（図2）。の組み合わせは極めて難しい。
これに対して、「再沈法」
は電子・光特性に興味が持たれるπ−共役系有機・高分子物質群（ポリジアセチレン、ペリレンやフラーレンなどの低分子芳香族化合物、有機イオン性色素など）のナノ結晶化に適用可能な汎用性の高い優れた手法である。ポリジアセチレン（PDA）を例にその作製過程を図1に示すが、簡便且つ穏和な条件で進行する。貧溶媒（通常は蒸留水10 mL）に無限希釈可能な有機溶媒（アセトン、アルコール、THFなど）で予め調製した対象化合物（ここではジアセチレン（DA）モノマー）の溶液（濃度：mM程度）の一定量（100 µLから200 µL）を激しく撹拌している貧溶媒中に注入する。再沈殿・析出により（上段：平均サイズ d の貧溶媒の水温依存性）
およびファイ
図2 PDAナノ結晶
バー状PDAナノ結晶（下段：SDS添加，333 Kでの保持時間依存性）の
走査型電子顕微鏡（SEM）
写真

生成したDAナノ結晶分散液にUV照射を行い、固相重合させ、PDAナノ結晶（分散液）とする。このように試料再沈後のマイクロ波照射による均一且つ速やかな加熱形態が分散系であることは、その後の光学特性評価や「再沈−マイクロ波照射法」（図1）はナノ結晶化の促進と複合・材料化に極めて有利である。図2にPDAナノ結晶のサイズの単分散性の向上に有効で、例えば有機EL用材典型的な走査型電子顕微鏡（SEM）写真を示す。また、料の一つであるTPBの単分散ナノ結晶が極めて短時間高分解能透過型電子顕微鏡（HRTEM）の観察結果は、で作製された。さらに、有機溶媒に難溶性の化合物を超個々のナノ結晶が単結晶であることを示唆した。

臨界流体に溶解させ、冷却用溶媒との混合でナノ結晶化させる「超臨界再沈法」により、電子写真特性に優れたサイズ・晶系に制御されたチタニルフタロシアニンのナノ結晶化にも成功した。

3. 線形光学特性のサイズ依存性
図3はPDAナノ結晶分散液の吸収スペクトルを示す。最長波長側の励起子吸収（EA）位置（λ max,EA）はサイズの減少ともに短波長側にシフトした。また、降温とともに、
λmax,EAは長波長シフトしたが、その温度係数（∂λmax,EA/∂T）
図1 ポリジアセチレン（ PDA ）ナノ結晶の作製を例に取った「再沈法」
および
TPBナノ結晶作製過程である「再沈ーマイクロ波照射法」の模式図のサイズ依存性はほとんど認められなかった。一方、EAの半値幅（ν1/2）の温度係数、∂ν1/2/∂T、は豊沢の理論的4

再沈直後に生成する微少液滴から有機溶媒が相互拡予測にほぼ一致した。これらの事実は、PDAナノ結晶に散すると、DAの場合は一度無定形DAナノ粒子となり、そおける結晶格子の熱的ソフト化とπ−共役系主鎖の歪みの後DAナノ結晶化が進行すると考えられる。他方、ペリとの関連性を示唆する。

レンの場合はクラスター状態を経て、核発生・結晶成長が

図4は走査型近接場分光顕微鏡（SNOM）で測定した

起き、ペリレンナノ結晶が生成すると考えられる。このようペリレンナノ結晶の蛍光スペクトルである。自己束縛励起なナノ結晶化過程の解析から、結晶サイズ（十数nmから子準位からの発光位置（λSTE）はサイズの減少とともに短THE CHEMICAL TIMES 2005 No.1
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有機・高分子ナノ結晶波長側にシフトした。これに対して、自由励起子準位から4. 非線形光学材料への展開の発光位置（λFE）はほとんど影響を受けない。この場合も、ペリレンナノ結晶の格子の熱的ソフト化による格子歪PDAは有機三次非線形光学材料として期待されていみの増大、自己束縛励起子準位の不安定化によってサイる。ここでは、PDAナノ結晶の光機能性材料化についてズ依存性が説明される。

述べる。
再沈法で作製されたPDAナノ結晶は負の表面電位（ζ−電位）を示し、水中で安定に分散している。そこで、ポリカチオンPDAC［poly（diallydimethylammoniumchloride）］をバインダーとして用いた静電吸着法（Layerby-Layer法）
により、散乱損失が極めて低く、光学的に高品質なPDAナノ結晶ホモ累積多層膜が作製された。
（後述の金属ナノ粒子との静電交互吸着膜をヘテロ累積多層膜とする。）図5（a）はPDACを予め吸着させたガラス基板をPDAナノ結晶分散液に1時間浸積させた際のSEM写真である。多数の孤立したPDAナノ結晶が見られる。この一連の静電吸着操作を12回繰り返した後のSEM写真
が図5（b）で、稠密且つ均一に吸着された薄膜であることが判る。膜厚は吸着回数で容易に制御できる。また、
λ max,EAに吸着回数の影響はなく、吸光度の単純増加のみが見られた。Z-scan法で評価された12層ホモ累積多層膜の三次非線形光学感受率Reχ（3）（ω）値は、膜中でのナノ結晶の高密度化のために、従来のPDAナノ結晶分散ゼラチン薄膜試料より約2桁増大し、10-7 esu程度の値が得られた。

図3 PDAナノ結晶水分散液の可視吸収スペクトル（上図）
および励起子吸収（EA）位置のサイズ依存性（下図）

一方、誘電体ミラー間隙にPDAナノ結晶を挟んだファブリペーロー型光共振器を用いた光励起実験では、約300fs後にフリンジパターンが4.2 nm短波長シフトし、3 ps以内に回復した。これは超高速光スッチング素子としての可能性を充分に示唆する結果である。

によるペリレンナノ結晶の蛍光発光
図4 走査型近接場分光顕微鏡（SNOM）
スペクトル
結晶サイズ：（Ⅰ）
390 nm，（Ⅱ）
550 nm，（Ⅲ）
630 nm． ：自己束縛励起子準位からの発光 ：自由励起子準位からの発光

図5 静電吸着法により作製したPDAナノ結晶ホモ累積多層膜．
（a） 浸積時間：1時間，浸積回数：1回．
（b） 浸積時間：1時間，浸積回数：12回

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5. 金属ナノ粒子との複合化とその光機能
5-1

ヘテロ累積多層膜

ホモ累積多層膜の作製過程に、予め還元法で調製した金・銀ナノ粒子（表面電位は負）分散液への浸積操作を組み込むことによって、PDAナノ結晶と金属ナノ粒子が交互積層したヘテロ累積多層膜が作製された。図6はその膜構造の模式図である。実際には静電吸着効果を高め、安定な累積多層構造とするために、3種類のポリアニオンP E ［I p o ly（ e t hy l e n e i m i n e ）］、PA H［ p o ly

図7 銀ナノ粒子およびPDAナノ結晶から構成されるヘテロ累積多層膜（a）6層目直上の銀ナノ粒子（b）7層目の PDAナノ結晶（ここで、銀ナノ粒子層とPDAナノ結晶層の一対を1層と数える）（allyamine hydrochloride）］、PDACとポリカチオンPSS［poly（sodium 4-styrenesulfonate）］を用いた。
5-2 コア−シェル型ハイブリッドナノ結晶
再沈法での貧溶媒である水の代わりに銀ナノ粒子水分散液を用いる。ここに、DA溶液を注入する。銀ナノ粒子は一次核として振る舞い、その表面にDAナノ結晶層が形成され、紫外線照射による固相重合によってDAはPDAに転換される。つまり、銀ナノ粒子をコア、PDAナノ結晶をシェルとする複合ナノ結晶が得られる。この手法
図6 ヘテロ累積多層膜の模式図を「共沈法」（図8）と呼ぶ。このような金属−PDA複合ナノ結晶では、コア−シェル界面における光局所場が表面

図7（a）はヘテロ累積多層膜6層目直上の銀ナノ粒子のSEM写真である。ここでは、一対の銀ナノ粒子層とプラズモン共鳴の電場増強効果を受ける結果、χ（3）（ω）
値の向上が理論的に予測されている。

PDAナノ結晶層を1層と数える。図7（b）は7層目のPDAナノ結晶層を示す。高い加速電圧のため、図7（a）では6層目のPDAナノ結晶の一部が見えるが、これはむしろ充分な薄膜であることを意味し、各層ともホモ累積多層膜同様にほぼ均一且つ稠密な吸着構造であることが確認された。ヘテロ累積多層膜の吸収スペクトルは興味深い変化を示した。銀ナノ粒子由来の局在表面プラズモン吸収（LSP）位置（λmax,LSP）は累積数とともに双極子−双極子相互作用による長波長シフトが見られた［Maxwell-

図8 コア（銀ナノ粒子）−シェル（PDAナノ結晶）型ハイブリッドナノ結晶の作製法である「共沈法」の模式図

Garnet理論］。一方、PDAナノ結晶の吸光度は累積数に6比例して増加したが、λmax,EA = 650 nmにほとんど変化は

図9（a）
は複合ナノ結晶のSEM写真で、中央付近に銀なかった。しかし、この吸収ピーク位置は同じ結晶サイナノ粒子が埋没した複合ナノ結晶の凝集体が見られるズ（d = 120 nm）のPDAナノ結晶単独の場合より、約5 nmが、ほとんどの複合ナノ結晶は凝集体周囲に存在する球長波長シフトした。これらの結果は銀ナノ粒子とPDAナノ状のものである。この球状の複合ナノ結晶のサイズは約結晶間に何らかの電子相関相互作用があることを示唆25 nmで、銀ナノ粒子のサイズ15 nmより明らかに大きい。

する。そこで、銀ナノ粒子とPDAナノ結晶を制限ナノ空間

つまり、PDAナノ結晶シェルの形成を示唆する。さらに、内で直接コンタクトさせたハイブリッドナノ結晶についてTEM観察（図9（ b））では、支持膜を貼ったメッシュに複次で述べる。

合ナノ結晶をすくい上げて観察用試料とするためにやは

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有機・高分子ナノ結晶り凝集体が見られるが、図9（ b）拡大図に示すようにコLSPの減衰・消失やEAの長波長シフトは複合ナノ結晶

ア−シェル型ナノ構造が確認された。コアの銀ナノ粒子内のコア−シェル界面での電子状態の新たな「混成、ハに対応する黒いドット領域と背景とは明らかに異なるコンイブリッド化」を示唆するもので、単なる複合ナノ結晶でトラストを示すPDAナノ結晶のシェル領域が存在した。

はなく、まさに「ハイブリッドナノ結晶」と言える新たな物質系である。このような現象が発現する実験的要件として、（1）LSPとEAとのエネルギーレベルがほぼ同程度であること、（2）
コアとシェルがナノレベルで密着していること、（3）
コアとシェルの体積比が適当であることが挙げられる。
実際、界面電子相関相互作用は固相重合前後で大きく変化しており、プラズマ振動数の紫外域へのシフトや集団励起の抑制と同時に生じるPDAの電子状態の変化が考えられる。現在、放射光を用いたX線光電子分光測定をSpring-8で行っており、詳細な解析が進行中である。

図9 コア（銀ナノ粒子）−シェル（PDAナノ結晶）型ハイブリッドナノ結晶（a）SEM写真（b）透過型電子顕微鏡（TEM）
写真

6. 「液・晶」系極性有機ナノ結晶

図10は共沈法の最終過程である固相重合時における再沈法で作製される有機・高分子ナノ結晶分散液は、吸収スペクトル変化を示す。固相重合により生成する系全体として見た場合、結晶と液体の性質を兼ね備えたPDAのπ−共系主鎖に由来するEAピークが約655 nmに新たな物質系「液・晶」と捉えられる。ナノ結晶がある印加出現する。これと連動してコアである銀ナノ粒子のLSPピ外場に応答可能であれば、系全体としての光学的性質ークは、その波長位置を変化させることなく、次第に減などが変化し得る。ここでは、二次非線形光学材料とし少・消失した。銀ナノ粒子単独あるいはPDAナノ結晶とのて 良く知られている有 機イオン性 色 素 D A S T（ 4 ’ -混合分散液においてはこのような紫外線照射効果は認

dimethylamino-N-methylstilbazolium p-toluenesulfonate）められなかった。また、同程度のサイズを有するPDAナのナノ結晶化とその電場配向制御について紹介する。

ノ結晶単独と比較して、EAピークは約20 nm長波長シフトした。

DAST分子は水溶性であるので、そのエタノール溶液をデカリンなどの炭化水素系溶媒を貧溶媒として用いて再沈・ナノ結晶化させる。この方法を「逆相再沈法」と呼ぶ。
図11はDASTナノ結晶のSEM写真で、平均サイズは約500 nm、その形状はバルクDAST結晶と相似形である。

図10 コア（銀ナノ粒子）−シェル（PDAナノ結晶）型ハイブリッドナノ結晶生成
過程（共沈法における最終段階：固相重合過程）における可視吸収スペ
クトル変化

図11 DAST（4'-dimethylamino-N-methylstilbazolium ptoluenesulfonate）ナノ結晶のSEM写真

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DASTナノ結晶は第二高調波発生（SHG）活性な極性認された。そこで交流電場印加を試みた。1 Hz程度のナノ結晶で、双極子モーメントを有しており、印加電場に低周波域ではDASTナノ結晶が交流電場の反転に追随対して配向応答する。また、低誘電率分散媒体を用いるする様子が吸光度変化から観測された。一方、1 kHz程ため、電場は有効に印加される。印加電場による応答・度以上の高周波域では逆に追随が不可能となり、吸光配向状態におけるコントラスト比をDASTナノ結晶分散液度変化は見られなくなる。図13は50 Hzでの吸光度相対の吸光度（λmax = 550 nm）から評価した。図12は直流電変化の印加交流電場依存性を示す。1 kV/cm程度以上場（DC 150 V/cm）のON−OFFに伴う可逆的な吸光度変でほほ飽和値に達し、平行配置で40％、垂直配置で化を示す。図12（ a）では吸光度測定光と電場印加方向20％程度のコントラスト比が得られた。さらに、垂直配置が垂直配置、図12（ b）では平行配置となっており、印加の場合、吸光度測定光を自然光ではなく水平偏光とする電場のON−OFFに対して相補的関係にある。この印加と、吸光度相対変化は約1.5倍増加した。

45

電場の値は、液晶分子の配向（10 V/cmから 10 V/cm）「液・晶」系は新たな大面積表示素子などとして期待さの場合と比較してかなり低く、DASTナノ結晶の巨大双極れる。現在の応答時間は約200 ms程度であるが、DAST子モーメントが示唆される。DASTナノ結晶全体の双極子

ナノ結晶のサイズ・形状、分散媒体、電極形状の最適化

モーメントはDASTイオン対の双極子モーメント（約30 D程などにより、さらなる高速応答の可能性を持っている。

度）のベクトル和で与えられると仮定すると、平均サイズが500 nmの場合、約106 Dとなる。双極子モーメントの相殺効果と表面電位の影響をここでは無視しているが、このベクトル和の仮定はコントラスト比のサイズ依存性からもほぼ妥当であると考えられる。

図13 交直流電場ON - OFF状態におけるDASTナノ結晶分散液の吸光度（λmax = 550 nm）の相対変化●： AC （50 Hz，平行配置）， ○：AC （50 Hz， 垂直配置），▲： DC （平行配置）， △：DC （垂直配置）

7. まとめと今後の展望
有機・高分子ナノ結晶の作製法から、サイズに依存した光学特性、薄膜化およびハイブリッド化、「液・晶」系について述べた。現在、単一ナノ結晶の分光測定、金属ナノシェル構造を有する高分子ナノ結晶の作製、電場配向
図12 直流電場（DC 150 V/cm）
ON - OFF状態におけるDASTナノ結晶分散液の吸光度（λmax = 550 nm）
変化（a）垂直配置 （b）平行配置

DASTナノ結晶の固定化、再沈法を拡張適用した無定形高分子ナノ粒子の作製などが展開中である。今後は、サイズ・形状・分散性のさらなる制御、ナノ結晶の表面修飾

8直流電場印加では300 V/cm以上となると、DASTナノや基板上での高度な配列制御、有機色素とのハイブリッ結晶の電気泳動効果による不可逆的な吸光度変化が確ド化などが試みられ、新しい電子・光特性の解明とデバTHE CHEMICAL TIMES 2005 No.1
（通巻195号）

有機・高分子ナノ結晶

イス応用が期待される。
本稿のより詳細な内容については以下の参考文献を参照されたい。

8）及川英俊，増原陽人，笠井 均，岡田修司，中西八郎：「有機−金属ハイブリッドナノ結晶」，Material Stages, 6, 71-76（2002）.
9）及川英俊，増原陽人，笠井 均，岡田修司，中西八郎：「ナノ謝辞
DAモノマーやDASTなどの化合物合成において岡田領域における有機／金属複合体の創製と新規光学特性の確認」，電子材料，No. 4, 24-29（2002）
10）H. Sasabe Ed., Nanotechnology toward the Organic Photonics, K.

修司教授（山形大学工学部）に対して、また、透過型電Baba, E. Sarashina, H. Kasai, S. Okada, H. Oikawa, and H.

子顕微鏡観察において田中通義東北大学名誉教授ならNakanishi: "Improvements of Reprecipitation Method forびに寺内正巳教授（東北大学多元物質科学研究所）に

Fabrication of Organic Nanocrystals", p. 223-228, Goo Tech,

対して、ここに深く謝意を表します。

Tokyo,（2002）.
11）H. Sasabe Ed., Nanotechnology toward the Organic Photonics, A.
Masuhara, H. Kasai, S. Okada, H. Oikawa, and H. Nakanishi:

参考文献（総説・著書）
1）笠井 均，片木秀行，飯田理恵子，岡田修司，及川英俊，松田宏雄，中西八郎：「ポリジアセチレン微結晶の作製とその物性」，

日化誌，No. 5, 309-317（1997）2）及川英俊，中西八郎：「有機微結晶の創製と線形・非線形光学特性」，レーザー研究, 25, 765-769（1997）.
3）H. S. Nalwa Ed., "Handbook of Nanostructured Materials and"Preparations of Organic and Hybridized Nanocrystals forPhotonics", p. 229-236, Goo Tech, Tokyo,（2002）.
12）笠井 均，及川英俊，中西八郎：第4章「有機ナノ結晶と光機能」，
新材料シリーズ，光機能性有機・高分子材料の新局面，CurrentAdvancement of Ohotofunctional Polymeric Materials, p. 61-69,
CMC,（2002）.
13）及川英俊，笠井 均，中西八郎：「新しい材料体系を目指した

Nanotecnology", Vol. 5, Organics, Polymers, and Biological

有機・高分子ナノ結晶の創製」，高分子加工，51, 537-544

Materials, H. Kasai, H. S. Nalwa, S. OKada, H. Oikawa, and H.

（2002）.

Nakanishi: Chap. 8, "Fabrication and Spectroscopic

14）中西八郎，笠井 均，及川英俊：「東北大多元研の中西G 新Characterization of Organic Nanocrystals", Academic Press, San

手法「共沈法」の確立，有機−金属のハイブリッドナノ結晶化に

Diego, N. Y.,（1999）.

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4）H. Masuhara and F. C. De Schryver Eds., "IUPAC Chemistry for

15）H. Masuhara, H. Nakanishi, K. Sasaki Eds., NANOSCIENCE

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Nakanishi, H. Oikawa: Chap. 2, "Reprecipitation Method for5）H. Oikawa, H. Kasai, T. Kato, S. Okada, and H. Nakanishi:"Organic Microcrystals as Novel Nano-Materials" Special Issue,
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