研究概要
層状構造、ナノシート、ネットワーク構造など、二次的な構造をもつ有機および無機材料に注目し、分子・ナノ構造・材料設計によって構造の柔軟性を制御することで、分子や化合物のそのものの性質と二次元的な構造の相乗効果を生み出し、エネルギーやセンサ関連の機能開拓および性能向上を目指した研究を行っています。これらの研究に対し、小規模な実験データにデータ科学的手法と研究者の考察を融合したマテリアルズインフォマティクス(MI)を適用しながら、高効率な機能材料の開発とその手法の確立を目指します。
新着情報
- 2021
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小規模な実験データに対するマテリアルズインフォマティクスに関する総説論文が、Bulletin of the Chemical Society of Japan誌にMasterpiece Materials with Functional Excellenceシリーズとして掲載受理されました。本解説記事は、JSTさきがけ・マテリアルズインフォマティクス領域(2016-2020)での研究成果に基づいております。
*Yuya Oaki, Yasuhiko Igarash “Materials Informatics for 2D Materials Combined with Sparse Modeling and Chemical Perspective: Toward Small-Data-Driven Chemistry and Materials Science”
Bulletin of the Chemical Society of Japan 2021, in press (DOI: 10.1246/bcsj.20210253).層状ポリジアセチレンの層間に水素結合性ゲスト分子を導入することで層構造を柔軟にし、広域な温度に応答した色変化挙動を実現した研究が、ChemPlusChem誌に10th Anniversary Special Collectionへの招待論文として掲載受理されました。
Yuki Mochizuki, Hiroaki Imai, *Yuya Oaki, “A Layered Polydiacetylene Containing Hydrogen-Bonding 4,4′-Bipyridyl Guests: Reversible Color Changes with a Wide-Range Temperature Response”
ChemPlusChem 2021, in press (DOI: 10.1002/cplu.202100300.).マテリアルズインフォマティクスを活用することで、はく離によって得られるナノシート材料の横幅サイズ分布の制御を行った研究に関する論文が、Advanced Theory and Simulations誌に掲載されました。トップダウンプロセスにより制御が難しかったナノシート材料のサイズ分布を、機械学習を活用することで制御することができました。これは、筑波大学大学院システム情報工学研究科の五十嵐康彦准教授との共同研究による成果です。
Yuri Haraguchi, Yasuhiko Igarashi, Hiroaki Imai, *Yuya Oaki, “Yield-prediction models for efficient exfoliation of soft layered materials into nanosheets”
Advanced Theory and Simulations 2021, in press.グラファイトや層状共役高分子などのファンデルワールス力で積層した層状物質を、高収率で数層レベルのナノシートをはく離して得るための収率予測モデルを構築し、それを実践した研究に関する論文が、Chemical Communications誌に掲載されました。従来、マテリアルズインフォマティクスを活用して確立してきた遷移金属酸化物ナノシートの収率予測モデルを、異なる層状物質の系へ適用したものです。これは、筑波大学大学院システム情報工学研究科の五十嵐康彦准教授との共同研究による成果です。
Kyohei Noda, Yasuhiko Igarashi, Hiroaki Imai, *Yuya Oaki, “Yield-prediction models for efficient exfoliation of soft layered materials into nanosheets”
Chemical Communications 2021, in press (DOI: 10.1039/D1CC01440D).小規模実験データへの機械学習（スパースモデリング）をもとに、層状物質のはく離によって得られるナノシート材料の横幅サイズ予測モデルを構築し、未知の系での横幅サイズ制御を行った研究に関する論文が、Nanoscale誌に掲載されました。これは、筑波大学大学院システム情報工学研究科の五十嵐康彦准教授との共同研究による成果です。
Ryosuke Mizuguchi, Yasuhiko Igarashi, Hiroaki Imai, *Yuya Oaki, “Lateral-Size Control of Exfoliated Transition-Metal-Oxide 2D Materials by Machine Learning on Small Data”
Nanoscale 2021, 13, 3853-3859.層状ポリジアセチレンとドライリキッドを統合したデバイスにより、kPa程度とそれ以下の弱い圧縮応力の可視・定量化を可能とした論文がAdvanced Materials誌に掲載受理されました。これまで、弱い力学的刺激で刺激応答性材料中の分子を動かすことが容易ではありませんでしたが、刺激応答性材料を組み合わせるアプローチによりこの分子科学の限界を突破することができました。これは、大阪工業大学工学部の藤井秀司教授との共同研究による成果です。
Minami Nakamitsu, Keigo Oyama, Hiroaki Imai, *Syuji Fujii, *Yuya Oaki, “Ultrahigh-Sensitive Compression-Stress Sensor using Integrated Stimuli-Responsive Materials”
Advanced Materials 2021, 33, 2008755.
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- 2020
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「２次元材料の設計に向けたソフトな層状物質のはく離の化学」と題した解説記事が、Chemistry Letters誌のVol. 50 Commemorative Highlight Review に掲載受理されました。柔軟な層状物質を活用したはく離のコンセプト、当研究グループの発見からマテリアルズインフォマティクスの活用に至る最新の成果を解説しています。本解説の主要部分は、JSTさきがけ(2016-2019年度)における研究成果をまとめたものです。
*Yuya Oaki, “Exfoliation Chemistry of Soft Layered Materials toward Tailored 2D Materials”
Chemistry Letters 2020, 50, 305-315.「ソフトな層状物質のインターカレーションと柔軟性の化学」と題した解説記事が、Chemical Communications誌のFeature Articleに掲載受理されました。層状構造の柔軟性ならではの機能を発現している優れた先行研究と、当研究グループの刺激応答性色変化を示す層状ポリジアセチレンの設計・作製・応用に関する研究を解説しています。
*Yuya Oaki, “Intercalation and Flexibility Chemistries of Soft Layered Materials”
Chemical Communications 2020,56, 13069-13081. 本論文は、当該号のInside Coverのイラストに採用されました。層状ポリジアセチレン／L-アルギニン複合体が、固相状態でもマイナス150℃程度から+60℃付近の低温かつ幅広い温度域で色変化が起こることを見出しました。これは、通常、剛直な共役高分子の分子運動が起こりにくい温度域においても、柔軟性制御によって動的機能を発現しうることを示唆しています。本成果は、Small誌に掲載されました。
Kei Watanabe, Hiroaki Imai, *Yuya Oaki, “Solid-State Low-Temperature Thermoresponsive and Reversible Color Changes of Conjugated Polymer in Layered Structure”
Small 2020, 16, 2004586. 本論文は、当該号のFrontispieceのイラストに採用されました。内閣府・経産省が調査の一環として実施し、学校法人河合塾 教育研究開発部が運営している中高生のための企画、「みらいぶっく学問・大学ナビ、若手研究が世界を変える！」のWebサイトに取り上げて頂きました。
https://www.miraibook-research.net/wakate/s2137/機能分子を組み込んだ非晶質かつフレキシブルな共有結合性高分子ネットワークの合成方法の提案と、本手法によって導入したキノン部位の活用による高容量キャパシタに関する論文が、Chemical Science誌に掲載されました。これは、國立清華大学のChi-How Peng教授との共同研究による成果です。
Jumpei Suzuki, Akira Ishizone, Kosuke Sato, Hiroaki Imai, Yu-Jen Tseng, Chi-How Peng, *Yuya Oaki, “Amorphous flexible covalent organic networks containing redox-active moieties: A noncrystalline approach to assembly of functional molecules”
Chemical Science 2020,11, 7003-7008. 本論文は、当該号のInside Back Coverのイラストに採用されました。小規模データによる実験主導マテリアルズインフォマティクスに関する最近の成果をまとめた解説記事（日本語）が、高分子に掲載されました。
*緒明佑哉, 五十嵐康彦, “小規模データによる実験主導マテリアルズインフォマティクス”
高分子 2020,69, 290-291.実験主導マテリアルズインフォマティクスによって収率予測モデルを作成し、遷移金属酸化物の表面修飾ナノシートを高収率で得る研究に関する論文が、Advanced Theory and Simulations誌に掲載されました。これは、筑波大学大学院システム情報工学研究科の五十嵐康彦准教授との共同研究による成果です。
Kyohei Noda, Yasuhiko Igarashi, Hiroaki Imai, *Yuya Oaki, “Efficient Syntheses of 2D Materials from Soft Layered Composites Guided by Yield Prediction Model: Potential of Experiment‐Oriented Materials Informatics”
Advanced Theory and Simulations 2020, 3, 2000084.層状ポリジアセチレンとポリ-N-イソプロピルアクリルアミドの複合による伸縮可能なゲルの作製とそれを応用したマイクロ波の可視定量化に関する論文が、ACS Sensors誌に掲載されました。
Minami Nakamitsu, Hiroaki Imai, *Yuya Oaki, “Visualization and Quantification of Microwave using Thermo-Responsive Color-Change Hydrogel”
ACS Sensors 2020, 5, 133-139.ポリジアセチレンとポリエチレンイミンの層状複合体による紙基板デバイスを使い、歯磨きのブラッシング力などの弱いまさつ力を可視・定量化した論文が、Journal of Materials Chemistry C誌に掲載されました。
Kei Watanabe, Hiroaki Imai, *Yuya Oaki, “A paper-based device of a specially designed soft layered polymer composite for measurement of weak friction force”
Journal of Materials Chemistry C 2020, 8, 1265-1272. 本論文は、掲載号の裏表紙内側のイラストに採用され、2020 Journal of Materials Chemistry C HOT Papersに選出されました。
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- 2019
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当研究グループがJSTさきがけの支援を受け、筑波大学大学院システム情報工学研究科の五十嵐康彦准教授と共同で進めた「小規模データをもとにした実験主導マテリアルズインフォマティクス」を活用したナノシート材料の高収率合成およびリチウムイオン二次電池有機負極活物質の探索に関する以下の2報の論文が、当該論文誌の中でともにTOP DOWNLOADED PAPER 2018-2019(出版後1年間のダウンロード数トップ10 %以内)に選ばれました。今後も、実験科学者としてのマテリアルズインフォマティクスの活用により、効率的なプロセス最適化や物質探索、さらにはそれらの社会実装を推進したいと思います。
Hiromichi Numazawa, Yasuhiko Igarashi, Kosuke Sato, Hiroaki Imai, *Yuya Oaki
“Experiment-Oriented Materials Informatics for Efficient Exploration of Design Strategy and New Compounds for High-Performance Organic Anode”
Advanced Theory and Simulations 2019, 2, 1900130. Gentoku Nakada, Yasuhiko Igarashi, Hiroaki Imai, *Yuya Oaki,
“Materials-Informatics-Assisted High-Yield Synthesis of 2D Nanomaterials through Exfoliation”
Advanced Theory and Simulations 2019, 2, 1800180.層状ポリジアセチレンの刺激応答性色変化挙動の制御とその応用に関する最近の成果をまとめた解説記事（日本語）が、化学工業誌に掲載されました。。
*緒明佑哉, “柔軟な層状高分子材料の刺激応答性制御と外部刺激の可視・定量化”
化学工業 2019,70, 778-784.ポリスチレン樹脂に層状ポリジアセチレン(PDA)を複合し、ガラス転移による分子の動きはじめを可視化した論文が、Chemical Communications誌に掲載されました。これは、國立清華大学のChi-How Peng教授との共同研究による成果です。
Shuhei Ishioka, Kei Watanabe, Hiroaki Imai, Yu-Jen Tseng, Chi-How Peng, *Yuya Oaki, “Glass-transition-induced color-changing resins containing layered polydiacetylene”
Chemical Communications 2019,55, 11723.マテリアルズインフォマティクスを活用し、高容量と耐久性を両立したリチウムイオン電池有機高分子負極活物質の探索と合成に関する論文が、Advanced Theory and Simulations誌に掲載されました。これは、東京大学大学院新領域創成科学研究科の五十嵐康彦助教との共同研究による成果です。
Hiromichi Numazawa, Yasuhiko Igarashi, Kosuke Sato, Hiroaki Imai, *Yuya Oaki, “Experiment-Oriented Materials Informatics for Efficient Exploration of Design Strategy and New Compounds for High-Performance Organic Anode”
Advanced Theory and Simulations 2019, 2, 1900130. 本論文は、当該号の表紙裏側のイラストに採用されました。
本成果は、科学技術振興機構ホームページ、化学工業日報(9月11日)、日経産業新聞(9月19日)、朝日新聞(11月28日)で紹介されました。
また、本論文の筆頭著者である沼澤博道君（当時大学院修士２年）が、日本最大の化学ポータルサイトChem-Stationのスポットライトリサーチでハイライトされました。ベンゾキノンとピロールの2次元ランダム共重合により、柔軟な非晶質層状物質を設計・合成し、そのはく離によって得られるナノシートの水素発生電極触媒として優れた性能を発揮することを示した論文が、Communications Chemistry 誌に掲載されました。
Shoichiro Yano, Kosuke Sato, Jumpei Suzuki, Hiroaki Imai, *Yuya Oaki, “Amorphous 2D materials containing a conjugated-polymer network”
Communications Chemistry 2019,2, 97. 本論文は、Nature Research Chemistry CommunityのBehind the Paperのコーナーでハイライトされました。層状有機無機複合体の層間ゲストの酸化還元により、高速なはく離によるナノシート化が可能であることを示した論文が、Bulletin of the Chemical Society of Japan誌に掲載されました。
Yuna Yamamoto, Hiroaki Imai, *Yuya Oaki, “Redox-Mediated High-Yield Exfoliation of Layered Composites into Nanosheets”
Bulletin of the Chemical Society of Japan 2019,92, 779. 本論文は、Selected Paperに選出されました。層状ポリジアセチレン(PDA)にポリピロールを複合し、近赤外光(NIR)を熱に変換することでPDAの色変化を起こし、NIRの可視化と強度の定量化を行った論文が、Journal of Materials Chemistry C誌に掲載されました。これは、大阪工業大学工学部の藤井秀司教授との共同研究による成果です。
Machi Takeuchi, Hisato Kawashima, Hiroaki Imai, *Syuji Fujii, *Yuya Oaki, “Quantitative detection of near-infrared (NIR) light using organic layered composites”
Journal of Materials Chemistry C 2019,7, 4089.マテリアルズインフォマティクスを活用し、層状有機無機複合体から高効率・高収率でナノシートを得る方法に関する論文が、Advanced Theory and Simulations誌に掲載されました。これは、東京大学大学院新領域創成科学研究科の五十嵐康彦博士との共同研究による成果です。 Gentoku Nakada, Yasuhiko Igarashi, Hiroaki Imai, *Yuya Oaki, “Materials-Informatics-Assisted High-Yield Synthesis of 2D Nanomaterials through Exfoliation”
Advanced Theory and Simulations 2019, 2, 1800180. 本論文は、当該号の表紙裏側のイラストに採用されました。
本成果は、科学技術振興機構ホームページ、日経産業新聞(1月18日)、化学工業日報(1月21日)、日刊工業新聞(2月1日)、日本経済新聞(2月17日)で紹介されました。
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- 2018
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有機高分子材料について、分子設計とは異なる視点で、ナノ～マクロスケールの形態制御を行う様々な手法とその応用に関する最近の動向をまとめた総説(Review)が、Journal of Materials Chemistry A誌に掲載されました。
*Yuya Oaki, Kosuke Sato,“Crystal-controlled polymerization: Recent advances in morphology design and control of organic polymer materials”
Journal of Materials Chemistry A 2018, 6, 23197.層状構造を有するポリジアセチレンの刺激応答性色変化挙動が、金属イオンのインターカレーションによってどのように制御されるかについて、その場観察などの手法を用いてメカニズムを探究した論文が、Advanced Functional Materials誌に掲載されました。これは、アイントホーフェン工科大学のNico A. J. M. Sommerdijk教授との共同研究による成果です。
Machi Takeuchi, Karthikeyan Gnanasekaran, Heiner Friedrich, Hiroaki Imai, Nico A. J. M. Sommerdijk, *Yuya Oaki, “Tunable Stimuli-Responsive Color-Change Properties of Layered Organic Composites”
Advanced Functional Materials 2018, 18, 1804906.キノン誘導体結晶の表面を使い、高い導電性と電気化学特性を有する導電性高分子ナノシートが厚さ5 nmから制御して作製できる手法に関する論文が、ACS Applied Nano Materials誌に掲載されました。
Kosuke Sato, Hiroaki Imai, *Yuya Oaki, “Two-Dimensional Conductive and Redox-Active Nanostructures Synthesized by Crystal-Controlled Polymerization for Electrochemical Applications”
ACS Applied Nano Materials 2018, 1, 4218.当グループが最近進めている有機層状化合物（層状ポリジアセチレン）に関する成果が、理工学部のホームページでResearch Spotlight（日本語）に、英語で本大学の研究成果を紹介するKeio Research Highlight（英語）に紹介されました。これらの記事では、有機層状化合物の外部刺激に対する色変化挙動を制御する手法、それを応用して様々な外部刺激を可視化・定量化活用する一連の研究が紹介されています。是非ご覧下さい。
Research Spotlight（日本語）: https://www.st.keio.ac.jp/education/research/201801.html
Keio Research Highlight（英語）: https://research-highlights.keio.ac.jp/2018/06/b.htmlカルボキシ基を導入した導電性高分子をナノ構造化すると、リチウムイオン電池の負極活物質として高い容量を示すことを報告した論文が、NPG Asia Materials誌に掲載されました。
Hiromichi Numazawa, Kosuke Sato, Hiroaki Imai, *Yuya Oaki, “Multistage Redox Reaction of Conductive-Polymer Nanostructures with Lithium Ion: Potentials for High-Performance Organic Anode”
NPG Asia Materials 2018, 10, 397.層状ポリジアセチレンにゲスト分子を複合した構造を自己組織的に形成させる方法の開拓と、それを応用したデバイスによる摩擦力の可視・定量化に関する論文が、Advanced Materials誌に掲載されました。
Hideto Terada, Hiroaki Imai, *Yuya Oaki, “Visualization and Quantitative Detection of Friction Force by Self-Organized Organic Layered Composites”
Advanced Materials 2018, 30, 1801121.
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