京都大学大学院工学研究科分子工学専攻 Li Zhuowei氏（博士課程３年）・Paitandi Rajendra氏（日本学術振興会研究員）・筒井 祐介助教・松田 若菜氏（博士研究員）・信岡 正樹氏（博士課程３年）・Chen Bin氏（博士課程３年）・鈴木 克明助教・梶 弘典教授・Samrat Ghosh氏（日本学術振興会研究員）・田中 隆行准教授・須田 理行准教授・関 修平教授は、同研究科物質エネルギー化学専攻・Zhu Tong准教授・陰山 洋教授、名古屋大学大学院工学研究科有機・高分子化学専攻 三宅 由寛准教授（現兵庫県立大学教授）・忍久保 洋教授、横浜市立大学大学院生命ナノシステム科学研究科 高木 牧人特任助教・島崎 智実准教授・立川 仁典教授、東京科学大学 安藤 康伸准教授、および東京大学 江崎 貴裕講師と共同で、２次元共役高分子である共有結合性有機構造体（COF）^注１を巻き上げて、１次元構造を有するナノチューブを創り出すことに成功しました。また、この構造体が世界最高レベルの高いプロトン伝導性を示すことも明らかにしました。
共有結合性有機構造体（COF）は、用いる分子の組み合わせでさまざまなトポロジーを有する周期構造を構築することができます。その多くは平面状のシート構造になり、それが積み重なることで固体物性が発現します。これは炭素のシートであるグラフェン^注２が積み重なってグラファイト（黒鉛）が得られることと似ています。一方、シートが巻き上がってチューブのような形状になればカーボンナノチューブ（CNT）に類似した構造が得られ、その１次元性に起因する特徴的な物性の発現が期待されます。しかしながら、COFでこのようなナノチューブ構造を得た例は非常に限られていました。
本研究では、ピレンユニットの２つの炭素原子を窒素原子で置換したジアザピレン^注３を構成単位として繰り返したシート状のCOFが液液界面において自発的に巻き上がることで、１次元チューブ状構造が得られることを発見しました。逆に、得られたチューブ状構造の分散液に超音波を照射すると、チューブ構造が巻き戻ってシートに戻ることも確認しました。さらに、電気化学インピーダンススペクトル測定^注４によりプロトンの伝導特性を評価したところ、σ= 1.98 Scm^-1（単位の読み方はジーメンス毎センチメートル）という世界最高レベルのプロトン伝導性を示しました。
本研究成果は、2025年4月16日（現地時間）以降に、米国の国際学術誌「Proceedings of National Academy of Sciences（米国科学アカデミー紀要）」に掲載されます。

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【用語説明】

注１. 共有結合性有機構造体（COF）:Covalent Organic Framework。多くの場合、有機分子が共有結合で連結されることで形成される２次元または３次元の結晶性材料。炭素?窒素やホウ素?酸素などの可逆的結合形成反応を数箇所並行して行うことで、構造欠陥を修復しながら周期的細孔構造を得る合成法が用いられる。
注2. グラフェン：炭素の同素体の一つであり、炭素原子が平面かつ正六角形に並ぶことによって環状に結合した六角形が２次元平面に無限拡張された蜂の巣のような構造を有する。グラフェンが積み重なったものがグラファイト（黒鉛）である。一方、グラフェンが巻き上がった形で筒状に伸びた１次元構造の炭素同素体がカーボンナノチューブ（CNT）である。
注3. ジアザピレン：ピレン（化学式はC₁₆H₁₀）の炭素原子のうち２箇所が窒素原子によって置換されたもの。本研究で用いたジアザピレンは2位と7位の炭素が窒素に置換され、炭素上にあった水素原子（C-H）がなくなっているために隣のフェニル基との二面角が小さくなり、COFにしたときの平面性が向上することが分かっている。
注4. 電気化学インピーダンススペクトル測定：サンプルに交流信号（電圧もしくは電流）を印加し、電圧と電流を同時に測定することによって得られた信号の比（電流/電圧）から、インピーダンス（交流回路における電流の流れにくさを示す値）を求める測定法。

【論文情報】

タイトル：Rolling Two-Dimensional Covalent Organic Framework (COF) Sheets into One-Dimensional Electronic and Proton Conductive Nanotubes（２次元COFシートを巻き上げて１次元電子伝導性・プロトン伝導性ナノチューブ構造へ）
著者：Zhuowei Li, Rajendra Prasad Paitandi, Yusuke Tsutsui, Wakana Matsuda, Masaki Nobuoka, Bin Chen, Samrat Ghosh, Takayuki Tanaka, Masayuki Suda, Tong Zhu, Hiroshi Kageyama, Yoshihiro Miyake, Hiroshi Shinokubo, Makito Takagi, Tomomi Shimasaki, Masanori Tachikawa, Katsuaki Suzuki, Hironori Kaji, Yasunobu Ando, Takahiro Ezaki, and Shu Seki
掲載誌：Proceedings of National Academy of Science　DOI：10.1073/pnas.2424314122

【研究代表者】

大学院工学研究科　忍久保 洋　教授
http://www.chembio.nagoya-u.ac.jp/labhp/organic1/index.html