学生から皆さんへ ー学生による研究室紹介ー
最終更新日：2022年1月31日
こんにちは！河野研の学生のSです。 ここでは、河野研への所属を考えている人向けに研究の内容や研究室の生活について説明していきたいと思います。 皆さんが研究室を選ぶにあたっての一助になれば幸いです。
気になることがあれば、お気軽にお問い合わせください。見学も大歓迎です。 皆さんからのご連絡をお待ちしています！
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研究内容
河野研究室は主に、MOFやPCNと呼ばれる超分子的な錯体を題材とした研究を行っています。分子を規則的に配列させることにより、分子単体では現れない特異な機能性を持った新規材料の開発にとり組んでいます。
MOF、PCNとは
金属有機構造体（metal-organic framework; MOF）や細孔性ネットワーク錯体（porous coordination Network; PCN）は金属イオンと有機配位子が連続的に繋がることで、無限の広がりを持った超分子固体材料です。MOFの多くは構造中に空孔を持つことが知られ、空孔の中に気体を吸着させたり、ゲスト分子を閉じ込めたりすることができます。また、分子が規則的に配列することによって構造に異方性がもたらされ、物性が変化することや強化されることもあります。さらに有機分子や単核錯体とは異なり液体に溶けないので、工業プロセスにおいて除去が容易だという利点があります。
酸化還元活性なMOF
MOFは構造が緻密に組み上がり、その多くが電子的中性で反応しづらい物質です。一方でわたしたちは、酸化還元活性を持つ、つまり電子の授受が可能なMOFの開発に注力しています。MOFの構造内で電子が移動できるということは、電子的な(化学結合的な)相互作用を持つことが期待されるため、特定の化学反応への触媒活性、特異な光化学特性や電気伝導性を持つことが期待されます。
酸化還元活性を持つMOFを合成するためには、主に２つのアプローチがあります。1つ目がMOFを速度論的に合成すること、2つ目が酸化還元活性を持つ配位子を用いることです。ここからはわたしたちのこれまでの研究事例を交えながら、その2つのアプローチで合成されたMOFとのその応用例について説明していきます。
1. MOFを速度論的に合成する
熱力学的に合成される最安定な生成物の多くは金属と配位子の結合部位が塞がった配位飽和な構造をとります。一方で溶液を急冷させるなどして速度論的に合成される準安定な生成物は自己集合が中途半端な状態で収束し、配位不飽和な構造ができます。金属や配位子の結合の手が余っているため、そのような部位が電子的な相互作用サイトとなります。
2. 酸化還元活性を持つ配位子を用いる
わたしたちはTPHAPやTPDAPといった特異な骨格を持った分子をオリジナルに合成しています。このような特徴的な配位子と金属イオンの組み合わせにより、活性点を持つMOFを合成します。
TPHAPは環内に電子が非局在化することによってアニオン状態で安定です。それに加えて、環内の多数の窒素原子が相互作用サイトとして働きます。
TPDAPは環内に電子が非局在化することによって、有機分子としては珍しくラジカル状態が安定化しており、電圧をかけることでカチオン、ラジカル、アニオンの3つの状態を往来します。このTPDAPを基板に蒸着させることで、有機薄膜を作成しました。低温で蒸着させるとTPDAPはきれいに配列し、異方性を持った薄膜が製膜されます。
研究室の一日
研究室の活動があるのは月曜日～金曜日です。祝日は休みです。活動日には朝礼（9:30～9:40）をzoomで実施します。実験の進捗や今日の予定を手短に報告します。必要に応じて先生方に研究について相談することもできます。
帰宅時間は特に決まっていません。その日の実験の予定次第ですが、18:00～20:00くらいになることが多いです。
| 時間 | 活動内容 |
|---|---|
| 9:30 - 9:40 | 朝礼（Zoom） |
| 9:40 - 12:00 | 午前の実験・研究活動 |
| 12:00 - 13:00 | 昼休憩 |
| 13:00 - 18:00 | 午後の実験・研究活動 |
| 18:00 - 20:00 | 追加の実験・データ整理など（必要に応じて） |
研究室のセミナー
セミナーは3種類あり、頻度は週に2回程度です。セミナーはすべて英語で実施します。以前はオンラインでしたが、最近は会議室でのオンサイト開催に移行しつつあります。
2～3月は学位論文の準備で忙しくなるためセミナーは休止になります。
（英語で話すのは、はじめのうちは大変ですが、難しい英語や「正しい」英語を使う必要はありません。そういった能力はだんだん身に付いていくので、伝える意思があることが大事です。)
MR (Monthly Report)
実験結果をスライドにまとめて報告し、結果の解釈や今後の研究の進め方について議論します。1回で2～3人が発表し、1か月に1回のペースで自分の担当が回ってきます。
CT (Current Topic)
最新の学術論文を1人2報選んで5分程度の発表になるように論文を要約します。1か月に1回、M1以上の全員が発表します。
LS (Literature Seminar)
あるトピックについて、いくつかの学術論文や参考書を調べて30分程度の発表になるようにまとめます。1回のセミナーで１～2人が発表し、半年に1回のペースで自分の担当が回ってきます。B4は後学期の1回だけです。
河野研のここがウリ！
広範な知識が身につく
河野研ではMOFを基にして、さまざまな分野への応用の研究をしています。研究に必要な知識は多岐にわたります：
- 有機化学：オリジナルの配位子を合成する
- 無機化学：MOFの合成
- 物理化学：物性評価（光化学、電気化学、結晶化学など）
- 分析化学：物性評価
研究室に所属する前に学習したものを総合的に駆使しながら、幅広い分野の知識を深めていくことができます。
計算科学への取り組み
最近では計算科学にも力を入れています：
- 実験→計算：得られた構造物性の起源をDFT計算等で推定
- 計算→実験：AIを用いた計算によって物質を設計し、実験で再現（マテリアルズ・インフォマティクス）
X線による分子構造の解析技術
わたしたちが一番得意とする解析技術はX線構造解析です：
- 単結晶や結晶性のある粉末のX線構造解析
- 結晶内部の詳細な構造やわずかな構造変化の解明
- 不安定な物質の解析
- 粉末X線構造解析（一次元データから三次元構造を同定）
専門家の河野先生から直接指導を受けることができます。
放射光施設への出張
高度な解析には精度の高いデータが必要とされます。そのため、以下の放射光施設へ出張することも多いです：
- 高エネルギー加速器研究機構（KEK）：茨城県つくば市
- 大型放射光施設（SPring-8）：兵庫県佐用郡佐用町
- 浦項加速器研究施設（PAL）：韓国
出張は気分転換にもなり、最新の実験設備に触れる機会にもなります。
企業との共同研究
企業との共同研究も盛んです。メリットには以下のようなものがあります：
- 金銭面の援助
- 最近の業界のニーズや関連分野の学術的動向の情報
- 企業の研究者との技術面での協力や議論
共同研究では実用性を考えなければならないため、時には高いレベルを求められますが、社会の中での自分の研究の意義や立ち位置を実感することができます。
研究の進め方が自由
実験の進め方は個人の裁量にある程度任せられています：
- MR（実験報告のセミナー）を欠かさなければ、自分のペースで実験に取り組める
- 研究の結果や自らの興味に応じて柔軟に方向性を調整できる
- 多種多様な装置や試薬が揃っている
行き詰まることがあれば、先生やスタッフに気軽に相談できる環境が整っています。朝礼で最低1日1回は顔を合わせる機会があり、Slackを使用して連絡を取りやすい環境です。
研究室の写真
研究室はEEI棟（ソーラーパネルがある建物）の6階と7階にあります。
実験室（7階）
配位子（有機分子）やMOFの合成、精製などの実験をする部屋です。1人当たり机半分のスペースが与えられます。眺めの良い窓からはスカイツリーと東京タワーが見える日も。
実験室の全体像
個人の実験スペース
スカイツリーと東京タワー
装置室（7階）
分析装置が置いてある部屋です。実験室の向かいにあります。
学生室（6階）
実験室の1階下の6階に学生室があります。1フロアを複数の研究室が共有しています。仕切りが少ないので周囲の人に話しかけやすいです。1人1つ机がもらえます。
学生室の全体像
個人の机スペース
所有している分析装置
比表面積・細孔分布測定装置
固体材料の表面積や細孔のサイズ分布を測定し、材料の吸着特性を評価します。
触媒分析装置 BELCATⅡ
触媒の活性や選択性を評価するための装置で、反応ガスの組成変化を分析します。
ガス流通・温度可変赤外分光光度計 DRIFTS-IR
固体試料の表面における分子の吸着状態や反応過程を観察するための装置です。
紫外可視分光光度計 UV-vis
物質による光の吸収を測定し、分子構造や濃度を分析する装置です。
ガスクロマトグラフ GC-MS/FID
混合物を分離し、各成分を同定・定量するための装置です。質量分析計と水素炎イオン化検出器を備えています。
MicroGC (GC-TCD)
小型のガスクロマトグラフで、熱伝導度検出器を使用してガス成分を高速で分析します。
高速液体クロマトグラフ HPLC
液体混合物を分離し、各成分を高感度で検出・定量する装置です。
デスクトップ粉末Ｘ線回折装置 PXRD
粉末試料の結晶構造を分析し、物質の同定や構造解析を行うための装置です。
ポテンショスタット
電気化学測定に使用され、電極電位を制御しながら電流を測定する装置です。
ガルバノスタット
電気化学測定に使用され、一定の電流を流しながら電位変化を測定する装置です。
ガス流通式触媒反応装置
ガス状の反応物を触媒層に通過させ、触媒の性能を評価するための装置です。
昇華精製装置
物質を加熱して気化させ、再び冷却して固体として回収することで精製を行う装置です。
フラッシュ自動精製装置
液体クロマトグラフィーの原理を利用して、混合物から目的の化合物を自動で分離・精製する装置です。
他の研究室と共用している装置
核磁気共鳴装置 NMR
強力な磁場中で原子核の共鳴を観測し、分子の構造を詳細に分析する装置です。
単結晶Ｘ線構造解析装置 SXRD
単結晶にX線を照射し、その回折パターンから分子の三次元構造を決定する装置です。
粉末Ｘ線回折装置 PXRD
粉末試料にX線を照射し、結晶構造や相組成を分析する装置です。
熱重量測定/示差走査熱量測定 TG-DSC
試料の重量変化と熱の出入りを同時に測定し、物質の熱的性質や化学変化を分析する装置です。
電子スピン共鳴装置 ESR/EPR
不対電子のスピンの共鳴を観測し、ラジカルや常磁性種の構造や動的挙動を分析する装置です。
外部施設での実験
以下の施設に出張して、最先端の装置を使用した実験を行うこともあります：
