成功分离原硅酸并阐明二氧化硅的基本结构

成功分离原硅酸并阐明二氧化硅的基本结构

2023/11/15

成功分离出原硅酸阐明二氧化硅的基本结构 精确控制原子和分子以开发新材料

二氧化硅（SiO₂)的化合物占地壳的75%，在地球上极其丰富。“原硅酸”是二氧化硅的基本单元研究已经进行了大约 200 年，但是它极其不稳定，直到现在还无法被隔离。通过分离它，我们可以获得基本单元并自由组装结构，开启了创造以前从未存在过的材料的可能性。扩大地球上丰富的硅的可能性是它不仅为新材料的开发开辟了道路，而且导致资源的有效利用，并有可能降低材料成本AIST 专注于硅的潜力，取得了前所未有的成果。成功分离并分析了原硅酸的结构。4363_4412巧妙控制多个八聚体之间形成氢键的结构尝试创造一种前所未有的材料正在进步。通过将苯和其他物质纳入这种名为“氢键无机骨架（HIF）”的结构中并对其进行自由操纵，可应用于电子和能源领域的新材料的开发正在取得进展。

成功分离原硅酸，这是 200 年来无人能完成的事情

二氧化硅 (SiO₂)是社会上不可或缺的物质，已被用于多种用途，例如玻璃、用作干燥剂的硅胶和水晶。它们均具有硅原子和四个氧原子以四面体形状三维连接的结构。碳（C）同样具有多种三维结构，通过以碳原子和六元环为基本单元创建复杂结构，已经创建了碳纳米管和石墨等新材料，并且其用途正在扩大。通过开发一种可以自由操纵二氧化硅基本结构的结构，SiO₂的化学新进展正在开始出现。

　原硅酸是二氧化硅和玻璃的基本单元，对其的研究已有约 200 年的历史。然而，由于其极不稳定的性质，直到现在还无法将其隔离。通过分离它，我们可以获得二氧化硅的基本单元，并能够随意组装结构，从而开启了创造以前从未存在过的材料的可能性。

　2009年，时任上司佐藤和彦向博士后研究员五十岚正康提出了“分离原硅酸”的任务。从那时起，一个探索硅的巨大可能性的项目就开始了。原硅酸的研究据说是从1820年左右瑞典化学家贝泽利乌斯发现水溶性二氧化硅开始的。尽管1956年它在溶液中的结构已通过实验阐明，但它不稳定且无法分离，因此它不仅不能作为物质使用，而且只能通过计算科学来了解其分子结构。

　　　　　　　　　　我知道这会很困难，但我认为如果我们能够分离它会很有趣。因为我们已经知道它存在于溶液中，所以我简单地认为我可以以某种方式合成它并使其稳定。”五十岚说，他对这个话题感到很兴奋，因为他在大学期间就做过稳定和分离不稳定化合物的研究。然而，艰难的日子从这里开始了。

　五十岚首先回顾了传统的原硅酸生产方法。原硅酸是四烷氧基硅烷(Si(OR)₄) 和四氯化硅 (SiCl₄)的水解合成。水解时生成原硅酸，但由于瞬间脱水缩合而无法分离。如何在不脱水缩合的情况下提取原硅酸？佐藤认为，水解过程中使用的“水”可能会对脱水缩合产生影响，而五十岚则寻找一种不使用水的方法。

当时，我认为碳（与硅属于同一族的元素）的反应机制会有所帮助，因此我决定使用钯碳催化剂（Pd/C），它将金属钯的细颗粒放置在活性炭上。然而，这种催化剂对硅化合物的作用不如对碳的作用，并且键不能像预期的那样断裂。因此他们继续寻找新的催化剂。五十岚花了大约五年时间才发现有必要在催化剂中混入少量铂。就这样，他们建立了可以稳定生产原硅酸的反应体系，并成功将其分离出来，得到了单晶，分析了其晶体结构，并于2017年发表了论文。（2017/07/27 新闻稿）

　五十岚解释了他成功的原因：“这是我的坚韧。我寻找催化剂……但我看到大学导师花了20年的时间完成了艰巨的研究，所以我决定继续研究它，认为我不能从中做大事。”距离研究开始已经过去了八年。

　自从 Berzelius 发现原硅酸以来，已经有大约 200 年的历史了，这使得人们能够以一种其他人无法做到的方式分离它。这一成功令世界震惊。

提出新材料开发的建筑单元：“氢键无机结构（HIF）”

　在成功分离出原硅酸后，五十岚开始合成原硅酸以开发新材料。然而，原硅酸不稳定且难以处理，其合成需要昂贵的钯碳催化剂，使得大规模生产困难且昂贵。于是五十岚认为有一种物质可以更稳定地大量生产，并进行了进一步的研究。结果，他们得到了“笼形八聚体”，其中八个原硅酸通过脱水缩合连接在一起。

　虽然笼形八聚体也不稳定，但它比原硅酸稳定得多，原硅酸每个硅原子有四个活性羟基，因此分离并不困难。起初我们只能制造01克，但由于二氧化硅很容易制造，我们优化了合成方法，现在我们实验室一次可以合成200克。目前，我们外包给公司一次可以合成1公斤。”看来，在公司的配合下，研究进展顺利。

　人们已经开始尝试将多个笼形八聚体组合而成的结构（现已可以批量生产）转变为用于开发新材料的建筑单元。

　当用于使笼型八聚体结晶的溶剂改变时，笼型八聚体之间形成的氢键网络根据溶剂的极性程度而变化。我们发现可以创造出各种各样的结构，甚至是原始的结构。由于原硅酸结构之间存在空间，原子和分子可以插入其中，原子和分子也可以在空间上排列。”

近年来，为了在空间中排列原子和分子，“金属有机结构”、“多孔配位聚合物”和“共价有机结构”等具有内部孔隙的有机结构已被开发出来，并引起了人们的关注。另一方面，新开发的原硅酸笼状八聚体网络结构的特点是无机分子通过氢键连接。五十岚将这种结构命名为“氢键无机骨架（HIF）”，并提出将其作为一种新的原子和分子构建单元。与有机结构不同，由二氧化硅制成的结构具有能够展现其中所含原子和分子的物理性质的优点。

苯的并联排列成功。精确控制原子和分子开发新材料

　为了测试一种名为“氢键无机骨架（HIF）”的新型原子和分子结构单元的威力，该结构使用笼状原硅酸八聚体，五十岚决定首先尝试排列苯。

　当两个苯分子相互作用时，平移平行排列或T形排列相对稳定，但已知平行排列由于排斥而不稳定。因此，苯完全平行排列是从来没有过的孤立的例子。如果我们能够创造出苯的平行排列，则可能会阐明苯之间的相互作用，并且可能适用于工业上的新分子器件。”

　即使平行排列两个不稳定苯分子也很困难，但通过使用 HIF，五十岚成功排列了超过一百万个分子。通过创建类似于竹节的结构，可以将碎片排列成正好卡在节上。此外，该方法已应用于与苯结构相似的噻吩和硒吩。 (2021/12/10 新闻稿）

 

关于未来的发展，五十岚说：“从现在开始，重要的不仅是精确排列原子和分子，而且如何在空间上排列它们。通过这样做，我们也许能够开发出具有全新物理性质和功能的材料。现在我们已经开发出了完全无机的 HIF，我们希望充分利用它来开辟新的学术和材料领域。”

当我开始研究分离原硅酸时，我独自面对不确定的未来，但现在我的研究规模已经扩大，我正在作为一个团队工作。此外，他还积极参与包括电子学在内的各个领域的联合研究，希望将他的团队扩展到世界之外。有一天，一种对社会真正有用的新材料将会诞生，这种新材料的结构是在实验室中通过分离二氧化硅的基本单元完成的研究而产生的。