ニュース

《本研究のポイント》

　名古屋大学未来材料・システム研究所（IMaSS）の山本 瑛祐 助教、長田 実 教授らの研究グループは、固相界面活性剤を鋳型とする合成手法を活用し、厚さをサブナノメートルレベルで精密に制御できるアモルファスシリカナノシートの合成に成功しました。

　二次元ナノ材料はその厚さによって電子状態や触媒特性が大きく変化するため、サブナノメートル精度で厚みを制御することは二次元材料科学の重要課題の一つです。しかし、アモルファスシリカのような非層状化合物は一般的に三次元方向に成長するため、ナノシートの均一な厚み制御は困難とされてきました。

　本研究では、ポリエチレンオキシド（PEO）鎖を持つ固相の界面活性剤を鋳型として活用し、界面活性剤の分子設計により厚みを自在に制御できることを明らかにしました。得られたナノシートは高い分散安定性を持ち、二次元稠密集積膜を形成できることが確認されました。さらに、アモルファスシリカナノシートの厚みが特性に与える影響を調査したところ、バンドギャップは厚みによらず一定であったものの、厚みが薄いほど絶縁耐圧が高まることが分かりました。さらに、バイポーラー膜（BPM）^注5) の触媒として活用したところ水解離反応における触媒活性も向上することを発見しました。従来ほとんど水解離触媒能がないと考えられていたアモルファスシリカが、分子スケールにまで薄くすることで機能を発揮することを明らかにした点も極めて重要であり、今後のバイポーラ膜設計に新たな知見を与えると想定しています。

　本研究成果は、2025年11月4日付で米国化学会誌『ACS Nano』に掲載されました。

　近年、二次元ナノ材料は、次世代の電子デバイスやエネルギー変換技術を切り拓く材料として世界的に注目を集めています。わずか数原子層の厚みしか持たない二次元材料は、その厚さによって電子構造や化学的性質が大きく変化することが知られており、特にサブナノメートル（1ナノメートル未満）単位での厚み制御は、材料設計における重要な課題の一つでした。これまでに、グラフェンや遷移金属ダイカルコゲナイドなど「層状化合物」を剥離して得られるナノシートでは層数による厚み制御が可能となってきています。しかし、二酸化ケイ素（シリカ）のような「非層状化合物」では、規定された層構造を持たないため、厚みを揃えたナノシートを合成することは非常に困難でした。そのため、非層状化合物を自立したナノシート化し、厚みを自在に調整する技術は、これまで限られた組成の化合物でのみ実現されていました。

　本研究では、最近研究グループが開発した固相界面活性剤を鋳型としてアモルファスシリカナノシートを合成する方法における重要な要素を徹底的に調査し、分子鎖の長さを設計することでナノシートの厚みを制御できることを見出しました。固相の界面活性剤は界面活性剤分子が集積した層状化合物であり、その隙間を二次元材料の鋳型として活用することができます。この際、界面活性剤分子として、ポリエチレンオキシド（PEO）鎖を有する分子を利用することで、アモルファスシリカナノシートを合成することができることを明らかにしました。さらには、PEO鎖の長さが異なる界面活性剤を用いることで、厚さ0.9、1.5、2.0、2.5ナノメートルといった分子レベルで制御されたアモルファスシリカナノシートを合成することに成功しました。特に、これらの厚みは非常に均一であり、標準偏差は約0.1ナノメートル程度でほぼ同じ厚みを有するナノシートが出来上がっていました(図1)。この他にも有機架橋型アルコキシシランを原料として活用することでナノシート内部に有機官能基を導入することも可能で、さまざまな機能の付与も期待できます。

図１：(上)アモルファスシリカナノシートの原子間力顕微鏡（AFM）^注6) 像と(左下)それぞれの厚みの分布と(右下)PEO数と厚みの関係

　さらに重要な点は、得られたナノシートは1枚1枚が溶液中で安定に分散しているため、水面に浮かべて集積させることで大面積かつ均一な膜を形成できることです(図2(左))。この二次元稠密集積膜を活用することでさまざまな基板上にアモルファスシリカ膜を転写することが可能であり、多様な化学的・物理的性質と厚みの関係を系統的に調べることが可能となりました。例えば、今回得られたナノシートのバンドギャップは厚み依存性が無いものの、絶縁破壊電圧は大きく変化していくことが分かりました。さらに、バイポーラー膜における触媒として活用したところ(図2((中))、H₂OをH^⁺とOH^⁻に分解する水解離反応において、アモルファスシリカナノシートが薄くなることで初めて高い触媒活性を示すことを発見しました(図2(右))。これは、従来は水解離触媒反応に対してほとんど触媒能を持たないとされていたアモルファスシリカが、分子レベルの薄膜化によって新たな機能を獲得することを示しており、今後のバイポーラ膜触媒の設計において非常に重要な知見です。

図２： (左)アモルファスシリカナノシート集積膜の原子間力顕微鏡像と(中)水解離触媒の概要図 および(右)水解離反応の過電圧^注7) と厚みの関係。
（右）横軸は電流密度、縦軸は過電圧（単位はボルト）。アモルファスシリカの厚みが2.0nmの場合は、水解離反応に大きな過電圧を必要とする（＝水解離触媒として機能していない）が、薄くなるにつれて必要な過電圧が小さくなり、水解離触媒として機能していることがわかる。

　本研究は、サブナノメートル単位で厚さを制御できる非層状化合物のアモルファスナノシートの合成を達成したという点で二次元材料合成における大きな前進であると言えます。従来の「層を剥がす、層数を変化させる」という方法では合成は不可能だった材料に対して、固相界面活性剤鋳型法という新しい合成法を導入することで、サブナノメートルレベルの厚み精密化を実現しました。さらに、ナノシート合成の指針を明らかにするにとどまらず、厚さによって物理的・化学的特性が劇的に変化することを明らかにしました。特に、水解離反応の触媒活性の発現は、電場を最大限に活用できる「超薄膜材料」ならではの効果であり、ナノ構造の設計により優れた触媒が得られることを示す重要な成果といえます。特に、地殻中に豊富に存在するアモルファスシリカを高度に機能化することは、資源制約の少ない新材料創製につながり、元素戦略上も有用であると言えます。今後、本研究で確立した設計指針は、アモルファスシリカだけではなく幅広い組成の非層状化合物の設計につながっていくことが期待されます。