サブナノ厚みを自在に操る：2次元シリカの新合成戦略～新規特性も発現、水解離触媒などの材料設計指針に～

ポイント

• 固相界面活性剤を鋳型として利用し、非層状化合物であるアモルファスシリカナノシートの厚みを1ナノメートル（ナノは10億分の1）より薄い精度で制御することに成功。
• 得られたナノシートは高い均一性と分散安定性を示し、2次元稠密（ちゅうみつ）集積膜を用いてバンドギャップや絶縁破壊電圧、水解離反応の触媒活性の厚さ依存性を調査。
• これまで水解離触媒として不活性だと考えられてきたアモルファスシリカが極薄膜化することで高性能な触媒となることを発見。
• 地殻中に豊富に存在するアモルファスシリカの高度な機能化は、資源制約の少ない新材料創製につながる。

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（1ナノメートル未満）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。

2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2次元材料科学の重要課題の1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3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、2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）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、今後のバイポーラー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（現地時間）で米国化学会誌「ACS Nano」に掲載されました。

本研究の一部は、科学技術振興機構（JST） 創発的研究支援事業 研究課題「無機ナノシート界面が拓くイオン伝導体の革新（研究代表者：山本 瑛祐、JPMJFR235Y）」、日本学術振興会（JSPS） 科学研究費助成事業 基盤研究（B） 研究課題「非層状化合物原子膜の精密合成と原子層エンジニアリングへの展開（研究代表者：山本 瑛祐、JP23K23434）」、基盤研究（B） 研究課題「アモルファス酸化物原子膜コロイドの超精密合成（研究代表者：山本 瑛祐、JP25K01855）」、基盤研究（S） 研究課題「原子膜技術による革新的蓄電デバイスの創成（研究代表者：長田 実、JP21H05015）」、扶桑化学工業株式会社などの支援を受けて行われました。

＜プレスリリース資料＞

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＜論文タイトル＞

“Surfactant Templating for the Subnanometer Thickness Engineering of Free-Standing Nonlayered Nanosheets”

DOI：10.1021/acsnano.5c13829

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