私たちは、有機化学・電気化学・ナノ材料化学を基盤として、
「曲面」「分子運動」「界面」が生み出す新しい機能の開拓に取り組んでいます。
曲面π共役分子、動的有機結晶、電極／ナノ粒子界面、レーザー誘起非平衡反応場などを舞台として、
電子・光・誘電・触媒・センシング機能の発現機構を分子レベルで理解し、
次世代の有機材料・ナノマテリアル・インターフェース科学へと展開しています。
現在の主な研究テーマは以下の4つです。

• Functional Organic Materials Based on the Curved π-Molecule Sumanene

  曲面π分子「スマネン」を基盤とした
  機能性有機材料の創製

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  櫻井研究室では、フラーレン部分構造を有するC_3v対称のボウル型π共役分子「スマネン（sumanene）」を中心として、曲面π構造を活かした新しい機能性有機材料の創製に取り組んでいます。一般的な芳香族分子が平面構造を持つのに対し、スマネンはお椀のように湾曲したπ電子系を持つことが最大の特徴です。この「曲率」によって、分子双極子、ボウル反転、concave–convex相互作用など、平面π分子には見られない特徴が生まれ、分子集合体や結晶中において特異な電子状態・分子運動・自己組織化挙動を示します。

  

  当研究室では、スマネンそのものの合成化学から出発し、さまざまな誘導体の分子設計・合成、分子集合体や結晶の構築、さらには機能性材料への展開まで、一貫した研究を進めています。特に、「芳香族分子が曲がることによって何が変わるのか」という基本的な問いを出発点として、曲率と電子状態、分子運動、分子間相互作用との関係を明らかにし、曲率そのものを新しい機能を生み出すための分子設計パラメータとして利用することを目指しています。現在では、有機電子材料、分子認識材料、多孔性材料、誘電応答性分子結晶、発光性材料などへと研究領域を広げています。
  近年では、フッ素化スマネン誘導体において、結晶中でのボウル配向や分子運動を利用した異方的誘電応答を実現しました。また、溶媒による結晶相制御によって、同一分子から異なる誘電特性を有する結晶を構築できることを見出しており、分子の「形」と「動き」を結晶機能へと結びつける研究を進めています。

  

  さらに、スマネン骨格を組み込んだMOF、HOF、COFなどの多孔性フレームワークの開発にも取り組んでいます。従来の平面的な構成要素とは異なる曲面π骨格を多孔性材料に導入することで、特徴的な細孔構造や局所的な化学環境を構築し、アンモニアやCO₂などの分子吸着や電子状態の制御へと展開しています。このように、平面と三次元構造の中間に位置する曲面π分子を材料構築の基本単位として用いることで、「2.5次元物質科学」とも呼べる新しい材料科学の開拓を目指しています。

  

  また、スマネンの酸化体であるトリオキソスマネンの高い電子受容性にも着目しています。近年では、トリオキソスマネン誘導体をアクセプターとして利用したドナー–アクセプター系において、高効率な近赤外（NIR）発光や特徴的な電荷移動励起状態を実現しています。こうした研究を通じて、分子の曲率が電子状態、分子集合、分子運動、光物性にどのような影響を与えるのかを明らかにし、「曲面だからこそ生まれる機能」を利用した新しい有機材料科学の確立を目指しています。

  

  

• Precision Design of Metal Nanoparticle Catalysts for Sustainable Chemistry

  金属ナノ粒子触媒の精密設計と
  環境調和型触媒反応への展開

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  金属ナノ粒子は、バルク金属とは異なる電子状態と高い比表面積を有し、さまざまな触媒反応において特異な反応性を示します。当研究室では、金ナノ粒子が触媒として本格的に注目され始めた比較的早い時期から、その有機合成反応への応用に取り組み、金ナノ粒子を単なる酸化触媒としてではなく、新しい有機合成触媒として利用する先駆的研究を発表してきました。

  

  その後、研究対象を単一金属から合金ナノ粒子へと広げ、異なる金属をナノスケールで組み合わせることによって生まれる新しい触媒機能の開拓を進めてきました。その代表例として、Au/Pd合金ナノ粒子を用いることで、通常は反応性の低い炭素–塩素（C–Cl）結合を低温で活性化し、有機合成反応に利用できることを見出しました。このように、ナノ粒子のサイズだけでなく、合金組成や金属間の電子的相互作用を制御することで、単一金属では困難な反応を実現することができます。

  

  現在では、こうした研究をさらに発展させ、ナノ粒子サイズ、合金化、表面電子状態に加えて、ナノ粒子を取り囲む「マトリクス」や「界面」も重要な設計因子として捉えています。触媒活性は金属ナノ粒子そのものの性質だけで決まるのではなく、それを固定化・安定化する周囲の環境によっても大きく変化します。そこで、ナノ粒子とマトリクスとの相互作用を積極的に利用することで、触媒活性・反応選択性・耐久性を制御する新しいナノ触媒の設計を進めています。特に近年では、セルロース、キトサン、ゼラチンなどのバイオポリマーをナノ粒子の担持・安定化マトリクスとして利用する研究に取り組んでいます。例えば、セルロースナノファイバーを基盤とした担持材料では、金ナノ粒子の高い触媒安定性とリサイクル性を実現しています。
  このように、金ナノ粒子の有機合成触媒としての利用から出発し、合金化による反応性制御、さらにマトリクス・界面による機能制御へと研究を発展させることで、高活性・高選択的で環境調和性にも優れた次世代ナノ触媒の創製を目指しています。

  

• Development of Dynamic Organic Crystals

  動的有機結晶
  の開発

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  有機分子の分子設計と結晶工学を基盤とした、機能性分子性結晶の研究を進めています。分子性結晶が示す性質は、分子骨格の柔軟性、ホスト-ゲスト相互作用、分子集合構造など、多様な要因によって決定されます。当研究室では、こうした分子集合の仕組みと結晶が示す機能(発光・伝導・刺激応答性など)との関係を理解し、新しいセンシング技術や機能性材料への展開を目指しています。
  特に、バタフライ型の構造を持つ分子インダンジオン二量体類をはじめとする低分子有機化合物に着目し、これらが形成するホスト結晶の骨格の隙間に別の分子(ゲスト)を可逆的に取り込ませ、劇的な構造変換や機能発現を引き起こす現象の解明・設計に取り組んでいます。

  

  また、ゲスト分子の種類や量に応じて結晶の発光色・呈色や電子状態・伝導性が変化する現象にも取り組んでいます。ホスト-ゲスト型の分子認識は、特別な前駆体や複雑なプロセスを必要としないシンプルな機能制御法として、私たちが特に力を入れているアプローチであり、ゲストの選択性・取り込み量・結晶内での配置などを制御することで、新しい発光材料やセンシング素子、応答性材料の開発を進めています。

  

  さらに、ゲスト分子の性質がホスト骨格の微細構造にどのような影響を与えるかにも着目し、構造制御に基づく新たな機能開拓を目指しています。

  

  

• Interfacial Nanoscience Based on Electrochemistry and Laser Ablation

  電気化学・レーザーアブレーションを
  基盤とした界面ナノ科学

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  電気化学およびレーザーアブレーションを基盤とした「界面ナノ科学」の研究を進めています。
  電気化学反応は、電極／溶液界面における電子移動、物質移動、吸着、電気二重層形成など、多様な界面現象によって決定されます。当研究室では、こうした界面現象と電気化学応答の関係を理解し、新しいセンシング技術や機能性材料への展開を目指しています。

  

  さらに近年では、ナノ粒子／液体界面における分子吸着や溶媒構造に着目し、界面制御による粒子機能の最適化にも取り組んでいます。

  

  特に、電極材料、ナノ粒子、界面構造が電気化学応答に与える影響に着目し、生体関連環境や不均一反応場を含む複雑環境下での界面反応の解明に取り組んでいます。
  また、当研究室ではマイクロチップレーザーを用いた液中レーザーアブレーション（PLAL）による金属ナノ粒子合成にも取り組んでいます。

  

  PLAL法は、還元剤や前駆体を必要としないクリーンなナノ粒子生成法であり、近年では環境調和型プロセスとして注目されています。当研究室では、キャビテーションバブル形成、粒子成長、界面反応、溶媒効果などを制御することで、新しいナノ粒子材料や触媒系の開発を進めています。