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金ナノテクノロジー―その基礎と応用―

  • Gold Nanotechnology:Fundamentals and Applications
※こちらの書籍は,電子書籍(eBook)として販売をしております。
・価格5,600円(税抜)
丸善販売サイト「Knowledge Worker」にてPDF版販売中!
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★ ナノサイズの金微粒子がもたらす革新的機能に世界が注目! まさに21世紀のゴールドラッシュ!
★ 金ナノ粒子の調整法から応用まで、ゴールドナノテクノロジーのすべてがわかる!
★ 金触媒研究のパイオニア・春田正毅教授監修のもと、国内第一線の研究者32名が執筆!

商品コード: T0666

  • 監修: 春田正毅
  • 発行日: 2009年3月
  • 価格(税込): 70,200 円
  • 体裁: B5判、345ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-0091-7

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  • 金ナノ粒子 / 金クラスター / 金ナノロッド / プラズモン / 触媒 / 診断薬

刊行にあたって

 金は人類が最初に出合った金属の一つであり、普通の状態では錆びることがなく、黄金の輝きを失わないので、不老長寿の象徴として愛好されてきた。金への憧れは留まることはなく、中世に入るとヨーロッパを中心に錬金術(alchemy)が研究されるようになった。卑金属から金を作り出し「永遠の輝き」を手に入れることは夢に終わったが、今日の化学(chemistry)の基盤とはなった。しかし、近代化学では金は脇役としても登場する機会は少なく、一方、化学的に不活性であるという特性を生かした用途だけが他の分野、特に通信機器、電子デバイス、歯科材料などで進展してきた。
 2001年1月米国のBill Clinton大統領はカリフォルニア州で年頭の演説を行い、国家ナノテクノロジー戦略を打ち上げ、21世紀の発展を牽引するのはナノテクノロジーであることを世界に印象づけた。その前年米国のScience誌の巻頭言で、ナノテクノロジーは“thebreakthrough of tomorrow”をもたらす分野として紹介されている。代表例として挙げられたのが、不活性な金でもナノ粒子になると優れた触媒になるというサイズ効果(日本)であった。
 こうして、金はナノテクノロジーが一つの大きな技術潮流となる中で取り上げられるようになり、1848年に始まったカリフォルニアでのGoldRushが、21世紀には金から機能を創出する科学・技術を求めて世界を舞台に再現されようとしている。金の触媒作用に関する論文数を見ると、1980年代は1桁、1990年代は2桁、21世紀になって指数関数的に増大して、最近では年間600―700件に到達している。
 今日炭素系物質がナノテクノロジーの分野で中心選手として活躍しているのは、大気中で安定であることによることを忘れてはならない。金は大気中で金属の状態であることが自然な唯一の元素である。このことは、ナノテクの分野で金が炭素に次いで重要な代表選手となれる潜在的可能性を示している。
 現在の日本における金の年間国内生産は9トン弱で、世界の総生産量2,500トンの1%にも届かない。しかし、携帯電話などの電気通信機器の廃棄物は都市鉱山と見ることができ、それから回収できる金の量は日本が圧倒的に多く、世界全体の埋蔵量の16%になるとのことである。さらに、金はリサイクルが比較的容易にできるので、機能物質として利用しながら実物資産として保有すれば、「無」から「有」(付加価値)を生む現代の錬金術と言える。
 以上、寸法の効果が著しく大きい、小さくしても大気中での安定性が高い、日本に資源が豊富にある、の点から、金のナノテクノロジーを発展させることは、日本にとって非常に重要な技術戦略、元素戦略と言える。本書はこの「金ナノテクノロジー」について、日本の研究開発の最前線を紹介するものである。寸法効果および寸法と形態の制御の実際と理論から始め、ナノ粒子・クラスターの調製、構造と物性、応用に至る幅広い科学・技術分野を「金」でまとめたユニークで便利な専門書になったと感じている。
(「はじめに」より抜粋)

2009年3月  春田正毅

著者一覧

春田正毅   首都大学東京大学院 都市環境科学研究科 環境調和・材料化学専攻 教授
杉本忠夫   東北大学 名誉教授
佃達哉   北海道大学 触媒化学研究センター 教授
米澤徹   東京大学 大学院理学系研究科 化学専攻 准教授
新留康郎   九州大学 大学院工学研究院 応用化学部門 准教授
戸嶋直樹   山口東京理科大学 基礎工学部 物質・環境工学科 教授
中許昌美   (地独)大阪市立工業研究所 有機材料研究部 部長
山本真理   (地独)大阪市立工業研究所 有機材料研究部 研究員
柏木行康   (地独)大阪市立工業研究所 有機材料研究部 研究員
武井孝   首都大学東京大学院 都市環境科学研究科 環境調和・材料化学専攻 准教授
石田玉青   首都大学東京大学院 都市環境科学研究科 環境調和・材料化学専攻 助教
藤谷忠博   (独)産業技術総合研究所 環境化学技術研究部門 固体触媒グループ グループ長
中村功   (独)産業技術総合研究所 環境化学技術研究部門 固体触媒グループ 研究員
奥村光隆   大阪大学 大学院理学研究科 化学専攻 教授
古賀健司   (独)産業技術総合研究所 ナノテクノロジー研究部門 主任研究員
秋田知樹   (独)産業技術総合研究所 ユビキタスエネルギー研究部門 主任研究員
堀秀信   北陸先端科学技術大学院大学 マテリアルサイエンス研究科 名誉教授
山本良之   秋田大学 工学資源学部 准教授
朝日剛   大阪大学 大学院工学研究科 准教授
田中豪   大阪大学 大学院工学研究科
大橋弘範   首都大学東京大学院 都市環境科学研究科 環境調和・材料化学専攻 特任助教
栗原隆   (財)九州先端科学技術研究所 次長
山田淳   九州大学 大学院工学研究院 応用化学部門 教授
野上正行   名古屋工業大学 大学院工学研究科 未来材料創成工学専攻 教授
楊勇   名古屋工業大学 大学院物質工学専攻 特任准教授
河村剛   名古屋工業大学 大学院物質工学専攻
寺西利治   筑波大学 大学院数理物質科学研究科 化学専攻 教授
小林敏勝   日本ペイント(株) 色彩技術研究所 所長
芝本幸平   首都大学東京大学院 理工学研究科 分子物質化学専攻 助教
前田瑞夫   (独)理化学研究所 前田バイオ工学研究室 主任研究員
小川敦司   (独)理化学研究所 前田バイオ工学研究室 基礎科学特別研究員
         (現:愛媛大学 上級研究員センター 上級研究員)
岡本浩治   田中貴金属工業(株) メディカル部 部長

目次

【第I編 金ナノテクノロジー序論】

第1章 寸法を小さくすると何が変わるか?
1. はじめに
2. 表面原子の割合の増加
3. 熱的性質
3.1 融点
3.2 デバイ温度
4. 光吸収特性
5. 電子状態
6. 化学反応性
7. おわりに

第2章 新しい視点から見た金ナノ粒子のサイズ形態制御技術の背景
1. はじめに
2. 一般則
2.1 単分散化の条件
2.1.1 核生成期と成長期の分離
2.1.2 成長の自動停止による単分散化
2.1.3 種粒子による単分散化
2.2 サイズの制御
2.2.1 LaMer機構によるサイズ制御
2.2.2 ゾル-ゲル系におけるサイズ制御
2.2.3 種粒子によるサイズ制御
2.3 形状の制御
2.3.1 単結晶粒子の形状
2.3.2 双晶粒子の形状
2.3.3 螺旋転位による単結晶粒子の形状制御
3. 金ナノ粒子のサイズ形態制御
3.1 合成系
3.1.1 水溶液系
3.1.2 油溶液系
3.1.3 ポリオール系
3.1.4 逆ミセル系
3.1.5 油水2相系
3.1.6 油固水3相系
3.1.7 固水2相系
3.2 サイズ制御
3.3 形態制御
3.3.1 球形粒子
3.3.2 立方体、立方8面体、8面体粒子
3.3.3 棒状粒子
3.3.4 正3角形および6角形平板粒子
3.3.5 4面体、10面体、20面体粒子
3.3.6 中空型粒子
4. おわりに


【第II編 金ナノ粒子・クラスターの調整】

第3章 金クラスターのサイズ制御:気相生成と液相合成
1. 真空中での金クラスター生成
1.1 なぜ気相に孤立化させるか?
1.2 研究方法と研究事例
1.2.1 生成法
1.2.2 生成分布と安定性
1.2.3 電子構造
1.2.4 幾何構造
1.2.5 反応性
2. 溶液中での金クラスター合成
2.1 溶液中でのサイズ選択的合成法
2.2 合成例
2.2.1 ホスフィン保護金クラスター
2.2.2 チオラート保護金クラスター
2.2.3 ポリマー、デンドリマー保護金クラスター
3. まとめ

第4章 金ナノ粒子の調製
1. はじめに
2. ナノ粒子の製法戦略
3. 金ナノ粒子の調製
3.1 NaBH4還元法
3.2 アルコール還元法
3.3 クエン酸還元法
3.4 錯体熱分解法
3.5 超音波法
3.6 プレートの製法
3.7 液中レーザーアビュレーション
4. おわりに

第5章 金ナノロッドの調製
1. はじめに
2. 金ナノロッドの「発見」
3. 界面活性剤溶液を用いた金ナノロッドの調製
3.1 電解法
3.2 シーディング法
3.3 光反応法
4. おわりに

第6章 多元系金ナノ粒子の調製
1. はじめに
2. 多元系金ナノ粒子の構造
3. 多元系金ナノ粒子の調製法
4. 多元系合金ナノ粒子の構造制御
5. 多元系金ナノ粒子の応用

第7章 金属錯体熱分解法による金ナノ粒子の調製
1. はじめに
2. 金(I)-チオレート錯体の熱分解法による金ナノ粒子の調製
3. アミン共存下での金(I)-チオレート錯体の熱分解法による金ナノ粒子の粒子径制御
4. 単分散金ナノ粒子の調製のための金(I)錯体の分子設計
5. 熱分解法による金-銀合金ナノ粒子の調製
6. 金ナノ粒子ペーストへの応用
7. おわりに

第8章 金ナノ粒子・クラスターの分散・固定化法概論
1. はじめに
2. 金をナノ粒子やクラスターとして担体上に分散・固定化する方法とその分類
3. 金ナノ粒子の接合構造の制御
4. 金粒子径の制御
5. 不純物の制御
6. おわりに

第9章 金属酸化物への担持
1. はじめに
2. 含浸法
3. 共沈法
4. 析出沈殿法
5. 有機金属錯体を用いる方法
5.1 液相法
5.2 イオン交換法
5.3 気相法
5.4 固相混合法
6. アークプラズマ法
7. おわりに

第10章 炭素および高分子への担持
1. はじめに
2. コロイド固定化法
3. 析出還元法
4. 気相グラフティング法
5. 固相混合法
6. 炭素および高分子に担持した金ナノ粒子の触媒特性
7. おわりに


【第III編 金ナノ粒子・クラスターの構造と物性】

第11章 金の表面化学
1. はじめに
2. 金単結晶
2.1 金単結晶表面の酸化特性
2.2 金単結晶表面上でのCO吸着
2.3 酸化した金単結晶表面上でのCO酸化反応
2.4 酸化した金単結晶表面上でのプロピレン酸化反応
3. 酸化物担持金モデル触媒
3.1 低配位金原子の存在
3.2 担体-金の間の電荷移動
3.3 量子サイズ効果

第12章 金クラスターの計算化学
1. はじめに
2. 有機・無機複合磁性体の理論的研究
3. 金クラスターの水分添加効果
4. PVP保護コロイドによる金クラスターの活性化
5. おわりに

第13章 金ナノ粒子の多面体構造
1. はじめに
2. 多面体構造とHRTEM観察
2.1 面取り8面体構造(TOh)とその他の結晶性粒子
2.2 5角10面体構造(Dh)
2.3 正20面体構造(Ih)
3. 多面体構造の成長とサイズ・温度に関する安定性
3.1 多面体構造の相対的安定性のサイズ依存性(計算)
3.2 多面体構造の成長・熱処理効果・液固転移による構造形成のサイズ依存性(実験)
4. おわりに

第14章 金ナノ粒子の担体との接合構造
1. はじめに
2. 電子顕微鏡による界面構造観察
2.1 高分解能透過型電子顕微鏡(HRTEM)法
2.2 高角環状暗視野走査型透過電子顕微鏡(HAADF-STEM)法
3. Au/TiO2触媒の観察
4. Au-TiO2界面の高分解能HAADF-STEM観察
5. Au/CeO2触媒の観察
6. Au-CeO2界面の高分解能HAADF-STEM像
7. おわりに

第15章 Auを中心とする貴金属ナノ粒子磁性から見る物質科学
1. はじめに
2. 貴金属ナノ粒子の磁化測定と磁性出現問題
3. 表面効果と保護材効果の重要性
4. ナノ粒子の分析のまとめ
5. XMCDによる原子選択的な磁化測定
6. ナノ粒子からバルク物質へ
7. ナノ粒子のESRと非線形効果
8. ESRによるナノ磁性のメカニズムの分析
9. まとめの議論と展望

第16章 単一金ナノ粒子の分光イメージング
1. はじめに
2. 金ナノ粒子の光学応答
3. 単一ナノ粒子の光散乱分光
3.1 レイリー散乱分光の測定原理
3.2 顕微光散乱分光装置
4. 分光イメージング
5. おわりに

第17章 金の触媒作用におけるサイズ効果
1. はじめに
2. サイズ効果
2.1 サイズ効果とは
2.2 サイズ効果の各論
2.2.1 一酸化炭素の酸化反応
2.2.2 グルコースの液相での選択酸素酸化
2.2.3 その他
2.3 クラスター領域への展開において留意すべき点
3. 金ナノ粒子の粒径の取り扱いの実際
3.1 サイズ効果を測定する上で必要なこと
3.2 粒子・クラスターサイズの分析法の選択
3.3 なぜ統計処理が重要なのか?
3.4 「見えないこと」=「存在しないこと」か
3.5 粒径のサンプル数
3.6 ヒストグラムと誤差表現
3.7 実際の例
4. おわりに


【第IV編 ナノゴールドの応用】

第18章 金ナノ粒子が拓くプラズモニクス
1. はじめに
2. 金ナノ粒子の特性
3. 光エネルギー変換の例
4. 金ナノロッドでみる応用例
4.1 センシング
4.2 メモリへの応用
4.3 イメージングへの応用
4.4 バイオ方面への展開
5. 実用面でみるプラズモニクスの将来性
5.1 技術革新の方向性
5.2 技術の展開領域
6. おわりに

第19章 金ナノ粒子が拓くフォトニクス
1. はじめに
2. 金ナノ粒子ドープガラス
3. 金ナノ粒子ドープ非線形薄膜
3.1 半導体:コアシェル複合ナノ粒子
3.2 金ナノ粒子の連結
3.3 形状に異方性をもった金ナノ粒子

第20章 金ナノ粒子が拓くエレクトロニクス
1. はじめに
2. CnS-Auナノ粒子の単一粒子電子物性
3. 配位子間π-π相互作用による微細金ナノ粒子六方晶二次元超格子の創製
3.1 π共役有機配位子を用いた微細Auナノ粒子の合成
3.2 非平衡自己集合による微細Auナノ粒子二次元超格子の創製と粒子間距離制御
3.3 微細Auナノ粒子二次元超格子の長距離規則化
4. 大環状π共役部位のAuナノ粒子への面配位によるトンネル抵抗低減
5. おわりに

第21章 色材としての濃厚金ナノ粒子ペースト  1. はじめに
2. 濃厚金ナノ粒子ペーストの製造
2.1 基本プロセス
2.2 多段階合成
3. プラズモン・カラー
3.1 塗料用着色剤としての利用
3.2 カラーバリエーション
4. 金属調コーティング
5. おわりに

第22章 金ナノ粒子の表面プラズモン励起を利用する質量分析
1. はじめに
2. 金ナノ微粒子と分析技術との接点
3. LDI-MS法の現状
4. 金ナノ微粒子のLDI-MS法における利用法
5. SP-LDI-MSにおけるイオン化機構へのアプローチ
6. SP-LDI-MS法の検出限界の向上へのアプローチ
7. 実試料測定に向けた様々な試料分子の測定
8. まとめと今後の展望

第23章 金ナノ粒子を用いるバイオセンシング
1. 金ナノ粒子の分散・凝集を利用した可視バイオセンシング
2. 架橋型金ナノ粒子凝集
3. 非架橋型金ナノ粒子凝集((a)表面電荷の変化)
4. 非架橋型金ナノ粒子凝集((b)表面性質の変化)
5. おわりに

第24章 金コロイドのイムノクロマト診断薬への応用
1. はじめに―背景―
2. イムノクロマト診断薬に用いられる金コロイドの性質、特徴
2.1 表面プラズモン(SPR)効果
2.2 安定性と抗体や抗原との反応性
2.3 粒子の大きさと感度
2.4 粒子径のばらつきとその影響
3. イムノクロマト診断薬の構造とメカニズム
3.1 体外診断薬とイムノクロマト
3.2 イムノクロマトの構造
3.3 イムノクロマトの操作法とそのメカニズム
4. 応用例、現状の問題とこれからの期待
4.1 hCG
4.2 PSA
4.3 Flu
4.4 その他への応用、食の安全と信頼される流通
4.4.1 Pork
4.4.2 Alle
5. おわりに―将来のあるべき姿は―

第25章 金ナノ粒子の触媒作用と環境保全への応用
1. はじめに
2. 金が触媒として働くための条件
2.1 金が触媒となる4つの条件
2.2 金ナノ粒子触媒の3要素
2.3 金触媒の活性サイト
3. 室温空気浄化
3.1 CO酸化
3.2 HCHO酸化
3.3 アンモニア、トリメチルアミンの酸化分解
4. 大気環境保全
4.1 ダイオキシンの低温分解
4.2 ディーゼルNOxの低減
4.3 水素の製造と生成
5. グリーン・サスティナブル・ケミストリーの開拓
5.1 高難度選択酸化:プロピレンの気相一段エポキシ化
5.2 特異な生成物選択性:エタノールの酸化とグルコースの酸化
5.3 反応基質選択性:エチレングリコールとメタノールからの一段エステル合成
5.4 官能基選択性:α、β不飽和アルデヒドの選択的水素化など
5.5 Simple Chemistry
5.6 均一系触媒の代替:オレフィンのヒドロホルミル化
6. 結び:将来展望
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