金沢大学ナノ生命科学研究所（WPI-NanoLSI）／Aalto 大学のAdam S. Foster 教授，物質・材料研究機構（NIMS）マテリアル基盤研究センターナノプローブグループの川井茂樹グループリーダー，Yuan Zhangyu NIMS ジュニア研究員，Kewei Sun ICYS 研究員，Oscar Custance 上席研究員，大阪大学大学院理学研究科化学専攻の久保孝史教授を中心とした国際共同研究チームは，走査型トンネル顕微鏡（※1）の探針を用いて単分子の構造を変化させ，キラリティー（右手と左手のように鏡像が重なり合わない性質（※2））の制御と不対電子（対になっていない電子で，対になった電子よりも通常反応性が高い）が二つあるジラジカル（※3）の合成を世界で初めて実現しました。
今までの有機合成では，一つの分子ユニットごとのキラリティーの制御や極めて反応性の高いジラジカルの合成は困難でした。また、ジラジカルの電気特性や磁性に関する研究はあまり進んでいませんでした。そのため，単分子レベルの構造を制御できる超精密な化学反応技術の開発が望まれていました。
今回，本研究チームは，極低温かつ超高真空下で動作する走査型トンネル顕微鏡の探針を用いて，三次元のナノ構造体中にある特定の分子ユニットをトンネル電流で励起させ，その分子の構造を任意に変化させる単分子レベルの反応技術を開発しました。トンネル電流を注入する単分子内の部位や位置，更に，その時の電圧などの反応パラメーターを精密に制御することにより二つのキラリティー構造とジラジカルの合計三つの構造を作り分けました。その高い制御性を示す目的で，バイナリーやターナリーのアスキーコードを用いてNIMSのグループの名称である（“NanoProbe GRP. NIMS©“）の記録（図1）に成功しました。
今後，この成果をより発展させ，単分子をボトムアップで合成し，新奇ナノ炭素構造体の実現を目指していきます。また，ジラジカルのユニットにはそのスピン状態に対応した交換相互作用（※4）が発生するため，プローブ顕微鏡の探針下で動作する究極的な量子マテリアルへの展開も期待できます。
本研究成果は，国際学術誌『Nature Communications』 誌の2023 年11 月25 日発行号（Vol. 14）にて掲載されました。
図1：作り分けた２つの分子の構造を０と１に見なして、アスキーコードで記録した文字列。
図2：探針を用いた分子ユニットの構造変化と生成したジラジカルのスピン計測の概略図。
探針と試料にバイアス電圧を掛けてトンネル電流を流すことで、ジラジカルのユニットを励起。矢印の色（赤色・水色）はスピンの方向を示します。
【用語解説】
※1：走査型トンネル顕微鏡
走査型トンネル顕微鏡（STM）は、尖った金属先端を試料表面に近づけ、電子がトンネル効果を利用して流れる現象を利用して計測します。本方法により、原子レベルでの高い解像度で表面構造を可視化でき、表面の重要な物性を検出できます。
※2：キラリティー
左右どちらか一方の手のひらのように非対称な分子構造で、エナンチオマーと呼ばれる互いに異なる鏡像を持ちます。
※3：ジラジカル
分子の中に二つの不対電子が存在する状態を示し、通常、他の分子や原子と反応しやすいため、短寿命です。その状態の解明は基礎化学や合成において重要なテーマです。
※4：交換相互作用
量子力学で説明される物理学の現象で、電子のスピンに関する磁気的な挙動を支配します。
ジャーナル名：Nature Communications
研究者情報：Adam S. Foster (NanoLSIウェブサイトのインタビュー記事（（英語））
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