2023年はゾル-ゲル科学技術に関する国内唯一の学術団体である「日本ゾル-ゲル学会」の創立から20年であり、また同じく国際組織であるInternational Sol-Gel Society (ISGS)の創設からも20年を迎えた。ゾル-ゲル科学技術の黎明はさらに20年以上遡り、1970年代以降のガラス・セラミックスおよび材料の液相合成に対する関心の高まりを受けて、この分野に関する最初の国際会議が1981年にイタリア・パドバで開催された。以後、同会議は世界各地でほぼ隔年に開催され、来年2024年にはドイツ・ベルリンにおいて第22回が予定されている。
日本の研究者はゾル-ゲル科学技術に関して黎明期から常に研究開発における先進的な地位を占め、多くの企業による関連技術の社会実装を通して、この技術分野に多大な貢献を続けてきた。この科学技術に関する国内学会を設立し、恒常的な活動を続けてきたのも日本のみである。2000年以降これまでに、日本ゾル-ゲル学会の初代会長を務められた作花済夫京都大学名誉教授をはじめとする同会会長経験者を中心に、日本国内のゾル-ゲル科学技術の最新動向をまとめたシリーズがこれまでに計5巻出版され、好評を博してきた。2019年に会長を引き継いだ小職が、今般、前巻から6年を隔して、最新の学術および技術動向を監修する好機を頂いたことは格別な喜びである。
本書が専門家のみならず初学者や異分野の研究者・技術者にも広く読まれ、ゾル-ゲル科学技術の材料プロセシングへの幅広い貢献と有用性が理解されて、さらに広く新しい分野へと適用されていくための、見通しの良い案内役となることを願って止まない。
目次
【Ⅰ.序論】
第1章 ゾル-ゲル科学技術の国際動向
1 はじめに
2 2018～2022年におけるゾル-ゲル科学技術に関する材料化学分野の学術・技術開発の動向
3 Journal of Sol-Gel Science and Technology(JSST,ゾル-ゲル科学技術雑誌)の歩み
3.1 1993～2003年: 作花済夫教授による創刊と最初の10年
3.2 2004～2013: ISGSの設立とJSSTの機関誌化
3.3 2014～2023年:さらなる国際的な認知度上昇とIF値の向上
4 おわりに
【Ⅱ.基礎編:反応,構造制御,構造形成】
第1章 ホスファチタノキサンの合成
1 はじめに
2 ホスファチタノキサンの合成
3 ホスファチタノキサンの生成過程の推定
4 ホスファチタノキサンを用いる有機-無機ハイブリッドの調製
第2章 構造制御されたシルセスキオキサンおよびシロキサン類の創製
1 はじめに
2 イオン性ロッド状/ラダー状ポリシルセスキオキサンの合成
2.1 アンモニウム側鎖置換基を有するラダー状ポリシルセスキオキサンの合成
2.2 酸性側鎖置換基を有するラダー状ポリシルセスキオキサンの合成
3 イオン性POSSの合成
3.1 アンモニウム側鎖置換基を有するPOSSの高収率・短時間合成
3.2 アンモニウム側鎖置換基を有するPOSSのサイズ制御合成
3.3 二種のアンモニウム側鎖置換基を有する低結晶性POSSの合成
3.4 カルボキシル側鎖置換基を有するPOSSの合成
4 アンモニウム側鎖置換基を有する単一構造環状テトラシロキサンの合成
5 テンプレート重合によるラダー状ポリシロキサンの合成
6 シロキサン骨格を含むイオン液体の合成
6.1 ランダム型オリゴシルセスキオキサン構造を含むイオン液体の合成
6.2 POSS構造を含むイオン液体の合成
7 おわりに
第3章 有機-無機ハイブリッド材料の創成〜金属アルコキシドと層状物質を用いた研究展開〜
1 はじめに
2 有機-無機ハイブリッド材料
2.1 金属アルコキシドを用いたゾル-ゲル法による有機-無機ハイブリッド材料
3 層状物質を用いた有機-無機ハイブリッド材料
3.1 層状物質と有機物質の反応
3.2 カチオン性色素を取り込んだ層間化合物
3.3 徐放性を利用した材料設計
3.4 有機誘導体型ハイブリッド
3.5 剥離したナノシートを用いたハイブリッドの作製
4 有機-無機ハイブリッド材料としてのヤヌスナノシート
第4章 ゾル-ゲル法によるシロキサン網目形成と透明エアロゲルの作製
1 はじめに
2 多孔体としてのエアロゲルと有機-無機ハイブリッド
3 有機アルコキシシランの反応メカニズム
4 ポリ(メチルシルセスキオキサン)系
5 ポリ(ビニルシルセスキオキサン)系
6 ビニルポリマーとシロキサンポリマーが互いに連結した系(ダブルクロスリンク系)
7 まとめ
第5章 自己組織化プロセスによる階層構造制御
1 はじめに
2 界面活性剤を用いた自己組織化によるメソ構造体形成
3 オルガノアルコキシシラン/シロキサン分子の自己組織化によるメソ構造体形成
4 水素結合を利用したカゴ型シロキサンの配列制御
5 シリカコロイド結晶を鋳型とした有機シロキサン系規則性ナノ多孔体の合成
6 おわりに
第6章 超低速ディップコーティングによる有機物フリー金属塩水溶液からのセラミック膜の作製
1 はじめに
2 超低速ディップコーティング
3 金属塩水溶液からの酸化物薄膜の作製
4 超低速ディップコーティングで得られセラミック膜のデバイス特性
4.1 ITO膜の作製および透明導電膜としての利用
4.2 WO3膜の作製および光電極およびエレクトロクロミック材料としての利用
5 おわりに
第7章 結晶方位を制御した金属有機構造体薄膜
1 はじめに
2 MOF膜の前駆体としての金属水酸化物
3 金属水酸化物表面におけるMOFのヘテロエピタキシャル成長
4 MOF-on-MOF薄膜
5 構造評価
6 まとめ
第8章 ナノ集積技術の開発
1 はじめに
2 微構造制御のための粉末デザイン
3 静電集積法
4 複合粒子を原料とした機能性複合材料の作製
5 おわりに
第9章 ナノシートの合成と集積化による高機能材料の創成
1 はじめに
2 層状化合物の剥離によるナノシート合成
3 無機ナノシートのボトムアップ合成
4 ナノシートの集積化による機能材料・デバイスの開発
5 ナノシートの高速・液相コーティング
6 おわりに
第10章 水溶液プロセスによる無機ナノフレーク・ナノシートのボトムアップ合成
1 はじめに
2 金属酸ナノシートのボトムアップ合成
2.1 チタン酸ナノシートの合成反応
2.2 金属酸ナノシートのボトムアップ合成の水溶液の化学
3 合成法の改良による様々な金属酸ナノシートの合成
3.1 ルテニウム酸ナノシートのボトムアップ合成
3.2 2種類の金属イオンを含む金属酸ナノシートの合成の検討
3.3 メタロリン酸ナノシートのボトムアップ合成
4 チタン酸ナノシートを用いた酸化チタンナノ結晶の合成
5 おわりに
第11章 ナノ結晶粒子濃厚ゾルからのゲル体の形成～各種構造制御と機能～
1 層状水酸化物(LMH)系ナノ粒子濃厚ゾル
2 酸化物系および硫化物系ナノ粒子濃厚ゾル
3 ナノ結晶粒子濃厚ゾルからのナノ/マクロ構造が制御されたゲル形成
4 まとめと今後の展望
第12章 ゾル-ゲル法により作製されるガラス薄膜とセラミック薄膜の面内残留応力の不安定性
1 はじめに
2 面内残留応力の測定
3 面内残留応力の成因
4 焼成膜を室温で静置すると面内残留引張応力が時間とともに減少する
5 面内残留引張応力の時間経過による減少の原因を究明するために
6 面内残留応力の湿度応答
7 付け加えておきたいことがら
8 まとめにかえて
【Ⅲ.機能編:光,電気,化学,生体関連】
第1章 マイクロポーラス構造を制御したシリカ系多孔膜
1 はじめに
2 ゾル-ゲル法によるシリカ系多孔膜の製膜
3 スペーサー法によるオルガノシリカ膜
4 有機架橋反応によるオルガノシリカ膜の細孔径制御と耐熱性向上
5 アニオンドープによるシリカ構造の疎水化と構造安定化(耐熱性,水熱安定性)
4 おわりに
第2章 金属酸化物ナノ粒子分散体の調製と有機無機ハイブリッド透明材料への応用
1 はじめに
2 シランカップリング剤によるジルコニアナノ粒子分散体の作製
3 2段階法によるジルコニアナノ粒子分散体の調製
4 デュアルサイト型シランカップリング剤によるジルコニアナノ粒子分散体の調製
4.1 ビスフェニルフルオレン誘導体からのデュアルサイト型シランカップリング剤とその適用
4.2 ジアリルフタレートからのデュアルサイト型シランカップリング剤とその適用
5 ジカルボン酸無水物によるジルコニアナノ粒子分散体の調製
6 おわりに
第3章 金属ナノ粒子分散機能材料の創成
1 はじめに
2 筒状メソ孔を有する多孔体中での銀ナノロッドの長さ制御
3 異方性メソ多孔体膜を用いた金ナノロッドの配向制御と偏光特性
4 アナターゼ微結晶を含むメソポーラスシリカへの金ナノ粒子の析出と光触媒特性
5 シルセスキオキサン膜へのハロゲン化銀の分散析出とホログラム形成能
6 おわりに
第4章 無機クラスターを活用した水溶液プロセスによる蛍光体の合成
はじめに
2 グリコール修飾シラン(GMS)を活用したケイ酸塩系蛍光体の合成
2.1 GMSの製造方法
2.2 GMSの性質
2.3 GMSを用いた水溶液プロセスによるケイ酸塩系蛍光体の合成
3 ポリエチレングリコール修飾リン酸エステルを活用したリン酸塩蛍光体の合成
3.1 水溶性リン酸エステルの製法とその性質
3.2 水溶性リン酸エステルを用いた蛍光体の合成
4 ケイ酸塩及びリン酸塩系材料合成の今後の展開
第5章 固体窒素源と液相プロセスで調製した金属(水)酸化物前駆体を用いたサステイナブルな金属酸窒化物の合成
1 はじめに
2 尿素とZn-Ga層状複水酸化物を用いたGaN:ZnO固溶体の合成
3 水熱法で調製した前駆体と固体窒素源として尿素を用いたペロブスカイト型酸窒化物LaTiO2Nの合成
4 ゾル-ゲル法で調製した酸化タンタルゲルを前駆体に用いたタンタル系ペロブスカイト型酸窒化物の固体窒素源を用いた合成
5 おわりに
第6章 プラズモニクスを利用した新機能材料の創成
1 はじめに
2 局在表面プラズモン共鳴
3 メソポーラスシリカ薄膜をテンプレートとした金メソグレーティングの作製とSERS特性
3.1 テンプレート法によるメソポーラスシリカの作製
3.2 試料作製
3.3 結果
3.4 まとめ
4 蛍光体薄膜と金属ナノ粒子ナノアンテナを組み合わせた発光制御
4.1 プラズモニックナノアンテナ
4.2 蛍光体薄膜との組み合わせ
4.3 まとめ
5 メソポーラスシリカ薄膜と金属ナノ粒子ナノアンテナを組み合わせた蒸気圧応答光共鳴
5.1 多孔質材料を用いた気体の検知
5.2 結果
5.3 まとめ
6 おわりに
第7章 光機能性シリカガラスの合成
1 はじめに
2 無共溶媒ゾル-ゲル法による多孔質シリカゲル合成
3 濃度消光
4 シリカ-(Tb,Ce)PO4透明結晶化ガラス緑色蛍光体
5 シリカ-(Gd,Pr)PO4透明結晶化ガラス狭帯域UVB蛍光体
6 おわりに
第8章 微細構造制御による高機能蛍光体の合成
1 はじめに
2 薄膜蛍光体
2.1 薄膜蛍光体の特徴
2.2 薄膜蛍光体の構造制御と面発光特性の向上
3 多孔質マイクロ粒子蛍光体
3.1 開発の狙い
3.2 2相ゾル-ゲル法による蛍光体粒子の合成
3.3 蛍光体粒子の微細構造解析
3.4 多孔質蛍光体粒子によるH2O2センシング
4 おわりに
第9章 化学溶液法と光結晶成長の融合による電気・光機能性酸化物成膜
1 はじめに
2 化学溶液法により塗布された前駆体膜の光結晶化機構
3 PCSD法を用いる自由形状フィルムセラミックスの形成
4 PCSD法による1軸配向成長の新たな展開
5 まとめと展望
第10章 シルセスキオキサンを用いた感光性光学材料の開発
1 はじめに
2 シロキサンコーティング剤の作製
2.1 ランダム型SQオリゴマーの製造
2.2 コーティング剤の調製
3 感光性シロキサンコーティング剤と機能性硬化膜
3.1 ネガ型感光化設計と特性
3.2 ポジ型感光化設計と特性
4 おわりに
第11章 多様な形態のポーラスシリカを応用した1 nmの領域で発現する新規機能性の開拓
1 はじめに
2 多孔質シリカ材料
3 スーパーマイクロポーラスシリカ(SMPS)の合成
4 揮発性有機化合物ガスの動的吸着
5 SMPSへの蛍光分子の内包効果
6 SMPS細孔内でのサブナノメートルサイズの量子ドット(QDs)合成と機能性
7 CuO量子ドットとサーモクロミズム
8 In2O3-QDsと蛍光
9 WO3-QDsと光触媒特性の制御
10 SMPSのナノ粒子化
11 垂直なマクロチャネル構造を有するMPSシートの合成と光機能性
12 まとめ
第12章 自動車用熱線カットコーティング(高耐久厚膜コーティング技術)
1 はじめに
2 高耐久厚膜コーティングへのアプローチ
3 熱線カットコーティング
4 その後の展開 ―UV+IRカットコーティング―
5 まとめ
第13章 電池材料
1 はじめに
2 蓄電池用材料
3 リチウムイオン二次電池
3.1 電極材料の合成
3.2 正極材料の表面コーティング
4.全固体電池系材料および界面形成に対する液相法の応用
4.1 酸化物系固体電解質の液相合成
4.2 ゾル-ゲル法を用いたLLZO系固体電解質/電極材料界面の修飾
4.3 硫化物固体電解質の液相合成
4.4 硫化物固体電解質を用いたい全固体電池における遷移金属含有電極に対する酸化物コーティング
5 おわりに
第14章 ゾル-ゲル法を用いたプロトン伝導体の開発動向
1 はじめに
2 燃料電池
2.1 直接アルコール型燃料電池
2.2 保水性無機フィラーと低湿度・高温発電特性
2.3 電極触媒
3 プロトン放出
3.1 電解質からのイオン放出
3.2 細胞への刺激と毒性・活性
3.3 生細胞への大気圧プロトン照射
3.4 プロトン照射によるALP活性の促進
第15章 イオン伝導性複合体
1 プロトン伝導体の作製と燃料電池への応用
2 水酸化物イオン伝導体の作製と金属空気電池への適用
3 リチウムイオン伝導体の作製と全固体リチウムイオン電池の構築
3.1 硫化物系リチウムイオン伝導体
3.2 酸化物系リチウムイオン伝導体
4 ナトリウムイオン伝導体の作製と全固体リチウムイオン電池の構築
4.1 硫化物系ナトリウムイオン伝導体
4.2 酸化物系ナトリウムイオン伝導体
第16章 ハード柔軟性を有する低密度フェノール樹脂
1 はじめに
2 固さと柔軟性
3 多孔質RFゲルの細孔構造制御
4 多孔質RFゲルのハード柔軟性の発現
5 ハード柔軟性多孔質RFゲルの力学エネルギー吸収能
6 おわりに
第17章 超伝導薄膜
1 はじめに
2 超伝導薄膜について
3 溶液法による超伝導層の成膜
3.1 TFA-MOD法における動向
3.2 フッ素フリーMOD法における動向
4 溶液法を用いた金属基板や中間層への展開
5 溶液法を用いたREBCO線材間超伝導接合技
6 おわりに
第18章 ゾルゲル法による強誘電体薄膜の開発
1 はじめに
2 ゾルゲル法による強誘電体薄膜の量産成膜技術
3 膜組成最適化による膜特性の改善
4 成膜プロセス最適化による膜特性,成膜スループットの改善
5 まとめ
第19章 誘電体単結晶ナノキューブの二次元規則配列集積技術と構造・物性評価
1 はじめに
2 誘電体ナノキューブの二次元規則配列集積
3 誘電体ナノキューブ単層膜の結晶構造及び物性評価
4 まとめ
第20章 バイオメディカル分野におけるシリカゲル材料
1 はじめに
2 生体内におけるケイ素の状態と生体応答性
3 シリカハイドロゲル材料への生体分子の包括
4 ケイ素を含む乾燥シリカゲルの生体組織足場材料としての応用
5 電解ゾル-ゲル反応を利用したシリカゲルの作製
6 電解ゾル-ゲルによるシリカゲルへのタンパク質の固定化
7 まとめ
【Ⅳ.開発動向編】
第1章 ハイブリッド金属水酸化物の開発とイオン交換・自己修復性電極への応用
1 はじめに
2 ハイブリッド金属水酸化物の合成法
3 ハイブリッドLDHによる有害アニオン吸着
4 自己修復性電極触媒への応用
5 おわりに
第2章 固体前駆体を用いた金属有機構造体(MOF)の合成と応用
1 はじめに
2 MOFの合成方法
3 固体材料表面でのMOFの形成
4 MOF配向薄膜の特徴と応用展開
5 まとめ
第3章 カーボンドットを用いた複合発光材料
1 はじめに
2 微細構造を制御したメソポーラスZnO-C-dot複合発光材料とエネルギー移動
3 マクロポーラスZnO-C-dot複合発光材料における界面での相互作用
4 C-dots表面の化学修飾による有機シリカとの複合化
5 層状水酸化物塩へのC-dotsの固定化と酸化物への変換
6 おわりに
第4章 金属水酸化物ナノコロイド
1 はじめに
2 金属水酸化物ナノコロイドの合成
3 ナノコロイド性やハイブリッド性を活用した材料設計
4 おわりに
第5章 スプレーコーティングによるガラスのアンチグレア処理
1 はじめに
2 スプレーコーティングによるガラスのアンチグレア処理
2.1 コーティング液の調製
2.2 塗布
2.3 焼成
3 凹凸形成過程
3.1 液滴の微粒化からゲル化までの過程
3.2 精密なプロセス管理の必要性
4 アンチグレアガラスの歴史と近年のトレンド
4.1 ディスプレイ表面処理の歴史(ブラウン管テレビから車載ディスプレイのカバーガラスまで)
4.2 スパークル(ぎらつき)の問題
5 おわりに
第6章 複合アニオンナノシートコロイド
1 はじめに
2 酸窒化物ナノシートコロイド
3 酸フッ化物ナノシートコロイド
4 そのほかの複合アニオンナノシート
5 おわりに
第7章 メソポーラス薄膜
1 メソポーラス薄膜の特徴と基本的応用
2 メソポーラス薄膜の細孔配向制御と応用
2.1 平行配向
2.2 垂直配向
第8章 プラズモニック材料
1 はじめに
2 プラズモニックナノ粒子に生じる局所的に増強された電場
3 表面ゾル-ゲル法による酸化チタン超薄膜の形成
4 酸化チタン超薄膜-プラズモニック金ナノ粒子からなる複合材料
5 酸化チタン超薄膜-電解還元プラズモニック金ナノ構造からなる複合材料
