東京工業大学物質理工学院応用化学系

原(正)研究室

原研究室は、原正彦教授退官にあたり、2023年3月末日をもって終了致します。

最先端の表面科学に立脚したナノテクノロジーを駆使し、単一分子スケールでの表面・界面の構築・制御・分析を通じて、様々な問題の解決に挑んでいます。

Keywords:

物理化学, 表面・界面科学, 分子膜, 走査プローブ顕微鏡, DNAナノテクノロジー

Research

RESEARCH

０. 概要：表面科学に立脚したナノテクノロジー・ナノサイエンス

太陽電池・有機ELなどで用いられる有機/無機のハイブリッド界面、燃料電池、蓄電池で用いられる固体/液体界面、バイオセンサー、人工臓器など生体分子/人工材料の界面など、様々な分野の最先端デバイスで表面・界面、ナノレベルでの構造・物性・機能の制御の重要性が高まっています。

本研究室ではトップダウン法(ナノリソグラフィー、マイクロ・ナノ印刷法)、ボトムアップ法(自己組織化、自己集積)を用いて様々な表面・界面を構築します。さらにプローブ顕微鏡、ナノフォトニクスの技術を駆使し、表面・界面における分子の構造・配向に加え、化学反応、構造変化、分子間相互作用などを明らかにし、ナノ~メゾスケールの化学・物理現象の新しい解釈を試みます。これらの知見を利用してエレクトロニクス、バイオ、医療、環境、エネルギーに至る幅広い分野の課題解決に挑戦しています。

１. 機能性表面・界面を構築する~エレクトロニクスデバイスからバイオインターフェースまで

本研究室では蒸着・スパッタリング、電気化学法による無機物表面の構築、表面重合、スピンコーティングなどを用いた高分子薄膜、自己組織化単分子膜(Self-Assembled Monolayer)、脂質2重膜を用いた単分子膜など、金属・半導体などの無機物から有機物表面まで様々な表面構築・物性制御を行います。さらにナノリソグラフィー、印刷法、ナノ微粒子の自己集積法などを用いて、1次元から3次元構造を有するナノ構造を構築し、目的に応じた機能を柔軟に発揮する表面・界面の構築を目指しています。

２. 表面・界面における分子構造をナノスケール分析する

走査型プローブ顕微鏡[主に走査型トンネル顕微鏡(Scanning Tunneling Microscope: STM)、原子間力顕微鏡 (Atomic Force Microscope: AFM)]は分子レベルで表面・界面の原子・分子の配列構造を明らかにすることが出来ます。本研究室では自己組織化単分子膜を中心に、様々な有機物表面の分子構造を明らかにしてきました。現在ではモデル有機表面のみ成らず、生体分子・細胞、太陽電池、フレキシブルデバイスなどへも観察対象を広げています。

３. 界面における分子認識反応を一分子計測する

AFMは表面形状を観察するだけではなく、探針と表面間に働くpNレベルの微小な力を精密に計測することが可能です。この力学計測法を用いて本研究室では、分子と無機物表面との相互作用力を一分子スケールで計測し、その相互作用メカニズムの解明に挑戦しています。

AFMによるナノ力学測定にと同時にレーザー光を用いたナノ分光計測を行うことによって、界面における分子認識反応時の反応サイト、反応メカニズムを分光学的に解明することが可能となります。

４. 生命の起源を探る：表面科学に立脚した化学進化実験研究

自然界の分子は、どのように合成され(化学進化)、どのように機能を発現して来たのだろうか？当研究室独自の表面科学に立脚したアプローチを駆使し、生命の起源の解明に挑戦しています。本学の地球生命研究所(大岡山) との強い連携により、鉱物結晶表面上での生体分子（アミノ酸、DNA、ペプチド等）の吸着・凝集・重合過程を独自のアプローチによって単一分子スケールでナノ分析し、化学進化反応メカニズムの解明を図っています。

５. 光を使ってナノを観る・作る・操る：ナノフォトニクス

光をプローブとして用いると、分子の物性や機能を非侵襲かつ非破壊で測定することができます。本研究室では光と金属の特異的相互作用を利用した高感度光計測法を開発し、表面・界面分析への応用を行っています。例えば、表面プラズモン共鳴を用いた新規光センシング技術を開発し、金属基板上での分子認識・結合・解離などの分子間相互作用を測定しています。ラマン散乱分光を用いて金属表面近傍の分子構造や分子機能をリアルタイムで測定する手法も開発し、生体分子などが作るソフト界面の分子プロセスの解明を図っています。さらに、単一分子検出レベルの高感度でナノ分光イメージングを実現するナノフォトニクスの研究開発も行っており、電極表面などのナノ分析への応用を目指しています。

上記以外の分析手法もあります。詳細は研究室の装置一覧をご覧下さい。また原研究室で行うことの出来ない実験は大学内の他の研究室、理化学研究所などその他の研究機関と連携して行っています。

Member

教授

原正彦（Hara Masahiko）

助教

石川大輔（Ishikawa Daisuke）

特別研究員

矢野隆章（Yano Taka-aki）

準客員研究員

Dilafruz Kulmatova

秘書

上田延江（Ueda Nobue）

修士課程学生

芥川健一（Akutagawa Ken-ich）

柳澤知輝（Yanagisawa Tomoki）

MEMBER

PUBLICATION

Y. J. Son, S. Han, K. Yoshizawa, T. Hayashi, M. Hara, and J. Noh, "Displacement Processes of 1-Adamanetanethiol Self-Assembled Monolayers on Au(111) by 1-Hexanethiol"

J. Nanosci. Nanotechnol. 19, 4732–4735 (2019).

S. Han, H. Park, J. W. Han, K. Yoshizawa, T. Hayashi, M. Hara, and J. Noh, "Solvent Effect on the Formation of Octaneselenocyanate Self-Assembled Monolayers on Au(111)"

J. Nanosci. Nanotechnol. 19, 4795–4798 (2019).

Y. Choi, S. Seong, Y. J. Son, S. Han, E. Ito, E. A. Q. Mondarte, R. Chang, T. Hayashi, M. Hara, and J. Noh, "Formation of long-range-ordered self-assembled monolayers of dodecyl thiocyanates on Au(111) via ambient-pressure vapor deposition"

Colloid Surface A 583, 123969 (2019).

G. Barcaro, L. Sementa, V. Carravetta, T. Yano, M. Hara, and S. Monti, "Experimental and theoretical elucidation of catalytic pathways in TiO2-initiated prebiotic polymerization"

Phys. Chem. Chem. Phys. 21, 5435–5447 (2019).

T. Yano and M. Hara,"Tip-enhanced Raman scattering microscopy: A step toward nanoscale control of intrinsic molecular properties"

J. Phys. Soc. Jpn. 87, 061012 (2018).

T. Suzuki, T. Yano, M. Hara, and T. Ebisuzaki, "Cysteine and cystine adsorption on FeS2(100)"

Surf. Sci. 674, 6–12 (2018).

R. Afrin, N. Ganbaatar, M. Aono, H.J. Cleaves, T. Yano, and M. Hara, “Size-dependent affinity of glycine and its short oligomers to pyrite surface: a model for prebiotic accumulation of amino acid oligomers on a mineral surface“

Int. J. Mol. Sci. 19, 365 (2018).

K.Suzuki, D.Kato, K.Hara,T. Yano, M. Hirayama, H. Masahiko, and R. Kanno,

“Composite Sulfur Electrode for All-Solid-State Lithium-Sulfur Battery with Li2S-GeS2-P2S5-Based Thio-LISICON Solid Electrolyte”

Electrochemistry 86, 1–5 (2018).

T. Sung, S. Seong, S. Han, Y.J. Son, T. Ishida, T. Hayashi, M. Hara, and J. Noh, “Well-Ordered Domains of 4-Fluorobenzenethiol Self-Assembled Monolayers on Au(111) Guided by a Displacement Reaction“

J. Nanosci. Nanotechnol. 18, 7053–7057 (2018).

N. Ganbaatar, K. Imai, T. Yano and M. Hara “Surface force analysis of glycine adsorption on different crystal surfaces of titanium dioxide (TiO2)”

Nano Convergence 4, 38 (2017).

K. Hara, T. Yano, J. Hata, K. Hikima, K. Suzuki, M. Hirayama, R. Kanno, and M. Hara, “Nanoscale optical imaging of lithium-ion distribution on a LiCoO2 cathode surface”

Appl. Phys. Express 10, 052503 (2017).

K. Suzuki, D. Kato, K. Hara, T. Yano, M. Hirayama, M. Hara, and R. Kanno, “Composite Sulfur Electrode Prepared by High-Temperature Mechanical Milling for use in an All-Solid-State Lithium-Sulfur Battery with a Li3.25Ge0.25P0.75S4 Electrolyte“

Electrochimica Acta 258, 110–115 (2017).

H. Kang , S. Han , S. Seong , Y. Son , E. Ito, M. Hara, and J. Noh, “Unique Mixed Phases and Structures of Self-Assembled Monolayers on Au(111) Derived from Methoxy-terminated Mono(ethylene glycol)ethanethiols“

J. Phys. Chem. C 121, 18021–18029 (2017).

K. Hara, T. Yano*, K. Suzuki, M. Hirayama, T. Hayashi, R. Kanno, and M. Hara*, “Raman imaging analysis of local crystal structures in LiCoO2 thin films calcined at different temperature”

Anal. Sci. 33, 853–858 (2017).

A. Portela, T. Yano, C. Santschi, O.J.F. Martin, H. Tabata, and M. Hara, "Highly sensitive SERS analysis of the cyclic Arg-Gly-Asp peptide ligands of cells using nanogap antennas"

J. Biophoton. 10, 294–302 (2017).

M. Han, K. Ku, H. Kang, R. Ohashi, T. Hayashi, M. Hara, and J. Noh,“Standing-Up Phase of Hexanedithiol Self-Assembled Monolayers on Au(111) Induced by Displacement Reaction”

J. Nanosci. Nanotechnol. 17, 5780–5783 (2017).

Z. Quan, M. Hirayama, D. Sato, Y. Zheng, T. Yano, K. Hara, K. Suzuki, M. Hara and R. Kanno, “Effect of Excess Li2S on Electrochemical Properties of Amorphous Li3PS4 Films Synthesized by Pulsed Laser Deposition”

J. Am. Ceram. Soc. 100, 746–753 (2017).

T. Yano*, Y. Tsuchimoto, R. P. Zaccaria, A. Toma, A. Portela, and M. Hara, “Enhanced optical magnetism for reversed optical binding forces between silicon nanoparticles in the visible region”

Optics Express 25, 431-439 (2017).

S. Seong, H. Kang, S. Han, T. Sung, J. B. Park, T. Hayashi, M. Hara, and J. Noh “Formation and Structural Changes of 4-Fluorobenzenethiol Self-Assembled Monolayers on Au(111)”

J. Nanosci. Nanotech. 17, 5597–5600 (2017).

G. Narangerel, N. Matsuzaki, Y. Nakazawa, R. Afrin, M. Aono, T. Yano, T. Hayashi, and M. Hara, "Surface force analysis of pyrite (FeS2): its reactivity to amino acid adsorption"

Adv. Mater. Phys. Chem. 6, 167–176 (2016).

H. Wang, H.Y. Wang, A. Toma, T. Yano, Q.D. Chen, H.L. Xu, H.B. Sun, and R. P. Zaccaria,“Dynamics of Strong Coupling between CdSe Quantum Dots and Surface Plasmon Polaritons in Subwavelength Hole Array”

J. Phys. Chem. Lett. 7, 4648–4654 (2016).

Y. Tsuchimoto, T. Yano, T. Hayashi, and M. Hara, “Fano resonant all-dielectric core/shell nanoparticles with ultrahigh scattering directionality in the visible region,”

Optics Express 24, 14451–14462 (2016).

Y. Sun, K. Suzuki, K. Hara, S. Hori, T. Yano, M. Hara, M. Hirayama, and R. Kanno, “Oxygen substitution effects in Li10GeP2S12 solid electrolyte”

J. Power Sources 324, 798–803 (2016).

T. Yano*, Y. Tsuchimoto, M. Mochizuki, T. Hayashi and M. Hara, "Laser Scanning Assisted Tip-Enhanced Optical Microscopy for Robust Optical Nanospectroscopy,"

Appl. Spectrosc. 70, 1239–1243 (2016).

K. Sunamura, T. R. Page, K. Yoshida, T. Yano, and Y. Hayamizu, "Laser-induced electrochemical thinning of MoS2"

J. Mater. Chem. C 4, 3268–3273 (2016).

K. Iwayama, Y. Hirata, M. Aono, L. Zhu, M. Hara, K. Aihara, "Decision-making ability of Physarum polycephalum enhanced by its coordinated spatiotemporal oscillatory dynamics,"

Bioinspiration & Biomimetics 11, 036001 (2016).

H. Kang, E. Ito, M. Hara, and J. Noh, "Formation of Ordered 4-Fluorobenzenethiol Self- Assembled Monolayers on Au(111) from Vapor Phase Deposition, "

J. Nanosci. Nanotech. 16, 2800–2803, (2016).

Y. Kim, H. Kang, T. Hayashi, M. Hara, and J. Noh, "Striped Phase of 3- Hexylthiophene Self-Assembled Monolayers on Au(111) Formed by Vapor Phase Deposition,"

J. Nanosci. Nanotech. 16, 2792-2795, (2016).

H. Jeong, H. Kang, S. Han, H. Park, J. Han, T. Hayashi, M. Hara, and J. Noh, "Comparative Study for Displacement of Cyclohexanethiolate and Cyclohaxaneselenolate Self- Assembled Monolayers on Au(111) by Octanethiol,"

J. Nanosci. Nanotech. 16, 8505–8512 (2016).

S. Han, H. Kang, J. B. Park, T. Hayashi, M. Hara, and J. Noh, "Formation and Structure of Self-Assembled Monolayers by Adsorption of Octaneselenocyanate on Au(111),”

J. Nanosci. Nanotech. 16, 8610–8613 (2016).

H. Kang, E. Ito, T. Hayashi, M. Hara, and J. Noh, "Effect of Solution Concentration on the Formation of Ordered Domains in Pentachlorobenzenethiol Self-Assembled Monolayers on Au(111),"

J. Nanosci. Nanotech. 16, 6360–6363 (2016).

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