2022/08/11 更新

写真a

タニグチ タクヤ
谷口 卓也
所属
附属機関・学校 データ科学センター
職名
准教授(任期付)
メールアドレス
メールアドレス

兼担

  • 附属機関・学校   グローバルエデュケーションセンター

学内研究所等

  • 2021年
    -
    2022年

    大学総合研究センター   兼任センター員

学歴

  • 2014年04月
    -
    2019年03月

    早稲田大学   大学院先進理工学研究科   先進理工学専攻  

  • 2009年04月
    -
    2014年03月

    早稲田大学   先進理工学部   生命医科学科  

学位

  • 2019年03月   早稲田大学   博士(工学)

経歴

  • 2021年04月
    -
    継続中

    早稲田大学   データ科学センター   准教授(任期付)

  • 2019年04月
    -
    2021年03月

    早稲田大学   データ科学センター   講師(任期付)

  • 2017年04月
    -
    2019年03月

    独立行政法人日本学術振興会   特別研究員DC2

 

研究分野

  • 構造有機化学、物理有機化学

  • 有機機能材料

研究キーワード

  • 有機機能材料

  • マテリアルズインフォマティクス

  • 材料科学

論文

  • Superelasticity of a photo-actuating chiral salicylideneamine crystal

    Takuya Taniguchi, Kazuki Ishizaki, Daisuke Takagi, Kazuki Nishimura, Hiroki Shigemune, Masahiro Kuramochi, Yuji C. Sasaki, Hideko Koshima, Toru Asahi

    Communications Chemistry   5 ( 1 )  2022年01月  [査読有り]

    担当区分:筆頭著者, 責任著者

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    <title>Abstract</title>Superelasticity is a type of elastic response to an applied external force, caused by a phase transformation. Actuation of materials is also an elastic response to external stimuli such as light and heat. Although both superelasticity and actuation are deformations resulting from stimulus-induced stress, there is a phenomenological difference between the two with respect to whether force is an input or an output. Here, we report that a molecular crystal manifests superelasticity during photo-actuation under light irradiation. The crystal exhibits stepwise twisted actuation due to two effects, photoisomerization and photo-triggered phase transition, and the actuation behavior is simulated based on a dynamic multi-layer model. The simulation, in turn, reveals how the photoisomerization and phase transition progress in the crystal, indicating superelasticity induced by modest stress due to the formation of photoproducts. This work provides not only a successful simulation of stepwise twisted actuation, but also to the best of our knowledge the first indication of superelasticity induced by light.

    DOI

  • Reformation of Thalidomide from its Hydrolysis Compound via Intramolecular Dehydration

    Takuya Taniguchi, Miri Nakamura, Koichi Tsutao, Kohei Otogawa, Yoshiyuki Ogino, Toru Asahi

    Chemistry Letters    2021年04月  [査読有り]

    担当区分:筆頭著者

    DOI

  • Actuation performance of a photo-bending crystal modeled by machine learning-based regression

    Kazuki Ishizaki, Ryota Sugimoto, Yuki Hagiwara, Hideko Koshima, Takuya Taniguchi, Toru Asahi

    CrystEngComm    2021年  [査読有り]  [招待有り]

    担当区分:責任著者

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    <p>The bending deflection and blocking force of photo-bending crystals of different sizes were experimentally measured at various light intensities, and then modeled by the machine learning-based regression.</p>

    DOI

  • Crystal actuator based on a thermal phase transition and photothermal effect

    Yuki Hagiwara, Takuya Taniguchi, Toru Asahi, Hideko Koshima

    JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY C   8 ( 14 ) 4876 - 4884  2020年04月  [査読有り]

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    Mechanically responsive materials have been increasingly explored, mainly in terms of photoisomerization. Here, we report the bending actuation of salicylideneaniline crystals induced by a thermal phase transition and photothermal effect. Long rod-like crystals bent reversibly on repeated heating and cooling near the transition temperature. The bend motion was also induced by the photothermal effect under ultraviolet (UV) and visible light irradiation, with and without phase transition. The photothermal-based temperature rise at the irradiated site of the crystal edge resulted in localised elongation near the crystal surface and slight bending due to the temperature gradient in the thickness direction. This bending motion was amplified by tip displacement at the opposite end of the long rod-like crystal. Finally, high-frequency bending actuation of 25 Hz was achieved by pulsed UV irradiation. Thus, the results of this study demonstrate the potential and versatility for mechanical crystal development based on the photothermal effect.

    DOI

  • Statistical Modeling of Photo-Bending Actuation of Hybrid Silicones Mixed with Azobenzene Powder

    Takuya Taniguchi, Loic Blanc, Toru Asahi, Hideko Koshima, Pierre Lambert

    ACTUATORS   8 ( 4 )  2019年12月  [査読有り]

    担当区分:筆頭著者, 責任著者

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    Mechanically responsive materials are promising as next-generation actuators for soft robotics, but have scarce reports on the statistical modeling of the actuation behavior. This research reports on the development and modeling of the photomechanical bending behavior of hybrid silicones mixed with azobenzene powder. The photo-responsive hybrid silicone bends away from the light source upon light irradiation when a thin paper is attached on the hybrid silicone. The time courses of bending behaviors were fitted well with exponential models with a time variable, affording fitting constants at each experimental condition. These fitted parameters were further modeled using the analysis of variance (ANOVA). Cubic models were proposed for both the photo-bending and unbending processes, which were parameterized by the powder ratio and the light intensity. This modeling process allows such photo-responsive materials to be controlled as actuators, and will possibly be effective for engineering mechanically responsive materials.

    DOI

  • Photomechanical Azobenzene Crystals

    Takuya Taniguchi, Toru Asahi, Hideko Koshima

    CRYSTALS   9 ( 9 )  2019年09月  [査読有り]

    担当区分:筆頭著者

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    Photomechanically responsive materials are promising candidates for future smart actuator applications. The photo-responsive behaviors originate from the photoisomerization of photochromic molecules. A typical photochromic compound, azobenzene, has been studied extensively in the solution state and has played a crucial role in the photomechanical behaviors of materials such as polymers and gels, via chemical bridging with their matrix. In contrast to polymers and gels, the photomechanical attributes of molecular crystals have not progressed to the same degree, due to their rigidity and fragility. However, the past decade has witnessed an increasing number of reports of the photomechanical motion of molecular crystals, including azobenzene crystals. This paper reviews the current state-of-the-art of mechanically responsive azobenzene crystals, including the history, crystal design strategy, and future promising applications.

    DOI

  • Photo-triggered phase transition of a crystal

    Takuya Taniguchi, Hiroyasu Sato, Yuki Hagiwara, Toru Asahi, Hideko Koshima

    COMMUNICATIONS CHEMISTRY   2  2019年02月  [査読有り]

    担当区分:筆頭著者

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    Structural phase transitions induced by external stimuli such as temperature, pressure, electromagnetic fields, and light play crucial roles in controlling the functions of solid-state materials. Here we report a new phase transition, referred to as the photo-triggered phase transition, of a photochromic chiral salicylideneamine crystal. The crystal, which exhibits a thermal single-crystal-to-single-crystal phase transition which is reversible upon heating and cooling, transforms to the identical phase upon light irradiation at temperatures lower than the thermal transition temperature. The photo-triggered phase transition originates from the strain of trans-keto molecules produced by enol-keto photoisomerization owing to the small energy barrier associated with changes in the crystal structure. The photo-triggered phase is metastable and returns to the initial stable phase via back isomerization from the trans-keto to enol form.

    DOI

  • Photomechanical and thermomechanical molecular crystals

    Takuya Taniguchi, Hideko Koshima

    ACTA CRYSTALLOGRAPHICA A-FOUNDATION AND ADVANCES   74   E123 - E123  2018年08月  [査読有り]

    DOI

  • Walking and rolling of crystals induced thermally by phase transition

    Takuya Taniguchi, Haruki Sugiyama, Hidehiro Uekusa, Motoo Shiro, Toru Asahi, Hideko Koshima

    NATURE COMMUNICATIONS   9  2018年02月  [査読有り]

    担当区分:筆頭著者

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    The mechanical motion of materials has been increasingly explored in terms of bending and expansion/contraction. However, the locomotion of materials has been limited. Here, we report walking and rolling locomotion of chiral azobenzene crystals, induced thermally by a reversible single-crystal-to-single-crystal phase transition. Long plate-like crystals with thickness gradient in the longitudinal direction walk slowly, like an inchworm, by repeated bending and straightening under heating and cooling cycles near the transition temperature. Furthermore, thinner, longer plate-like crystals with width gradient roll much faster by tilted bending and then flipping under only one process of heating or cooling. The length of the crystal is shortened above the transition temperature, which induces bending due to the temperature gradient to the thickness direction. The bending motion is necessarily converted to the walking and rolling locomotion due to the unsymmetrical shape of the crystal. This finding of the crystal locomotion can lead to a field of crystal robotics.

    DOI

  • Two-step photomechanical motion of a dibenzobarrelene crystal

    Takuya Taniguchi, Ayumi Kubota, Tatsuya Moritoki, Toru Asahi, Hideko Koshima

    RSC ADVANCES   8 ( 60 ) 34314 - 34320  2018年  [査読有り]

    担当区分:筆頭著者

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    Photomechanical crystals are interesting from both basic and applied perspectives, and thus it is important to develop new examples. We investigated the photomechanical bending behaviour of a photochromic crystal of a dibenzobarrelene derivative. When a plate-like crystal was irradiated with ultraviolet (UV) light at 365 nm, two-step bending was observed. In the first step, the crystal quickly bent away from the light source, with an accompanying crystal colour change from colourless to purple. In the second step, under prolonged UV light, the bending returned slowly and then the crystal bent up towards the opposite direction, accompanied by an additional colour change to light yellow. Spectroscopic measurements and X-ray crystallographic analysis suggested that a long-lived biradical species is generated immediately upon UV light irradiation via a Norrish type II intramolecular hydrogen abstraction, and then the final photoproducts are formed under continuous UV exposure. X-ray crystallographic analysis before and after UV light irradiation for a few seconds revealed that the longitudinal axis (a axis) of the crystal elongated slightly after irradiation, which is consistent with the direction of the first-step bending. Based on these results, we propose that first-step bending could be induced by a biradical species, generated via a Norrish type II intramolecular hydrogen abstraction, and the second-step bending could originate from the formation of a mixture of final photoproducts under prolonged light irradiation.

    DOI

  • Mechanical Motion of Chiral Azobenzene Crystals with Twisting upon Photoirradiation

    Takuya Taniguchi, Juri Fujisawa, Motoo Shiro, Hideko Koshima, Toru Asahi

    CHEMISTRY-A EUROPEAN JOURNAL   22 ( 23 ) 7950 - 7958  2016年06月  [査読有り]

    担当区分:筆頭著者

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    The photomechanical motion of chiral crystals of trans-azobenzene derivatives with an (S)- and (R)-phenylethylamide group was investigated and compared with a racemic crystal. Changes in the UV/Vis absorption spectra of the powdered crystals before and after UV irradiation were measured by using an optical waveguide spectrometer, showing that the lifetime of the cis-to-trans thermal backisomerization of the chiral crystals was faster than that of the racemic crystals. Upon UV irradiation, a long plate-like chiral microcrystal bent away from the light source with a twisting motion. A square-like chiral microcrystal curled toward the light with some twisting. Reversible bending of a rod-like chiral microcrystal was repeatable over twenty-five cycles. In contrast, bending of a plate-like racemic microcrystal was small. A possible mechanism for the bending and twisting motion was discussed based on the optimized cis conformer determined by using calculations, showing that the bending motion with twisting is caused by elongation along the b axis and shrinkage along the a axis.

    DOI

  • Mechanical motion of molecular crystals induced by [4+4] photodimerisation

    Hideko Koshima, Hidetaka Uchimoto, Takuya Taniguchi, Jun Nakamura, Tsuyoshi Asahi, Toru Asahi

    CRYSTENGCOMM   18 ( 38 ) 7305 - 7310  2016年  [査読有り]

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    The photomechanical bending of crystals of a stilbene-type compound substituted with anthracene and indanone groups, (E)-2-(9-anthrylmethylene)-1-indanone (trans-1), was investigated. When a narrow plate-like microcrystal was irradiated with ultraviolet (UV) light at 365 nm, the crystal gradually bent away from the light source and finally reached a semicircular shape after more than 10 min. A larger rod-like crystal, approximately 10 mm in length, also exhibited a slight bending motion. The cessation of UV irradiation caused the bent crystals to return very slowly to their straight form. In the crystals, the anthracene planes of two neighbouring trans-1 molecules are arranged in a head-to-tail parallel manner, with a short plane-to-plane distance of only 3.72 angstrom. The H-1 nuclear magnetic resonance spectra of trans-1 crystals before and after UV irradiation revealed the intermolecular [4 + 4] photodimerisation of the two anthracene planes, while the trans-to-cis photoisomerisation was not significant. The UV-vis absorption spectra of the trans-1 powder crystals, obtained using a diffuse reflectance spectrophotometer, showed a gradual increase in absorbance between 200 and 500 nm with increasing UV irradiation time, reaching a maximum after 1 h. Thermal back-monomerisation was very slow in the dark, not recovering the initial spectrum even after 25 days. The fluorescence spectra at 570 nm, derived from the anthracene excimer, decreased in intensity with increasing UV irradiation time due to a decrease in the amount of anthracene chromophore via photodimerisation. In situ X-ray measurements revealed that the bending of the crystals was caused by slight elongation of the b axis of the unit cell, corresponding to the long axis of the rod-like crystals. Calculations revealed that the observed crystal elongation could be explained by an optimised head-to-tail [4 + 4] orientation of the anthracene dimer.

    DOI

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Misc

  • 光・熱によって動くメカニカルソフトクリスタル

    谷口卓也

    日本結晶学会誌   63 ( 1 ) 31 - 37  2021年02月  [査読有り]  [招待有り]

    担当区分:筆頭著者, 責任著者

    記事・総説・解説・論説等(学術雑誌)  

    DOI

  • 世界初!歩き回るロボット結晶が誕生-まったく新しいソフトロボット実現への可能性

    小島秀子, 谷口卓也, 朝日透

    化学    2018年09月  [招待有り]

    記事・総説・解説・論説等(商業誌、新聞、ウェブメディア)  

  • 加熱・冷却すると歩いたり転がったりする「ロボット結晶」を開発! – ソフトロボットへの応用に期待

    谷口卓也

    academist Journal    2018年03月

    記事・総説・解説・論説等(商業誌、新聞、ウェブメディア)  

  • 光を当てるとねじれ曲がる結晶 − 分子の反応を材料の動きへ

    谷口卓也

    academist Journal    2017年09月

    記事・総説・解説・論説等(商業誌、新聞、ウェブメディア)  

受賞

  • 井上研究奨励賞

    2019年12月   井上科学振興財団  

  • 小野梓記念学術賞

    2019年03月   早稲田大学  

  • 学生講演賞

    2019年03月   日本化学会第99春季年会  

  • Poster Presentation Award

    2017年07月   Chirality 2017  

  • poster prize

    2017年04月   ICCOSS XXIII  

  • 優秀講演賞

    2016年09月   第25回有機結晶シンポジウム  

  • Outstanding Poster Presentation Award

    2015年07月   ICCOSS XXII  

  • ポスター賞

    2015年06月   Symposium on Molecular Chirality 2015  

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共同研究・競争的資金等の研究課題

  • 有機固体材料のマテリアルズインフォマティクス基盤構築

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 若手研究

    研究期間:

    2022年04月
    -
    2024年03月
     

    谷口卓也

  • 太陽紫外光を力学エネルギーに変換する有機結晶材料の創製

    八洲環境技術振興財団 

    研究期間:

    2022年04月
    -
    2023年03月
     

    谷口卓也

  • 光トリガー相転移によるメカニカルソフトクリスタルの創製

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 新学術領域研究(研究領域提案型)

    研究期間:

    2020年04月
    -
    2022年03月
     

    谷口 卓也

  • 革新的な固体材料の創出に向けたMI基盤技術の開発

    早稲田大学―ENEOS シーズ探索研究助成

    研究期間:

    2021年07月
    -
    2022年03月
     

    谷口卓也

  • 光トリガー相転移結晶の定量的解析と機能開拓

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 研究活動スタート支援

    研究期間:

    2019年08月
    -
    2021年03月
     

    谷口 卓也

  • 光と熱によって自由に動き回るメカニカル結晶の開発

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 特別研究員奨励費

    研究期間:

    2017年04月
    -
    2019年03月
     

    谷口 卓也

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    当該年度までに、光トリガー相転移という興味深い現象を見出していたため、当該年度はその光トリガー相転移について詳細に調べ、発現機構を明らかにした。光トリガー相転移は、熱的な構造相転移が起きる光反応性結晶において発見された現象である。この結晶は2度の構造相転移が起こり、温度変化に応じてα、β、γ相の間を変化できる。
    これまでに-50℃で結晶に光照射すると光トリガー相転移が起きることは見出していた。これはβ相の結晶に光を当てるとγ相の結晶構造に変化することを意味する。新たに、α相およびγ相の結晶に光照射したところ、光トリガー相転移は起こらず、結晶相は変化しなかった。したがって、光トリガー相転移はβ相において特有の現象であることがわかった。
    このβ相からγ相への光トリガー相転移の発現機構を考察するため、光異性化による生成物trans-keto体の分子構造を量子化学計算により最適化した。その結果、元のenol体とは二面角が大きく異なり、光異性化による構造変化が大きいことがわかった。この分子構造変化が結晶中で起きると、trans-keto体は周りの分子にひずみを与えると考えられる。実際の結晶において、光照射前は全ての分子がEnol体である。光照射すると、照射面から光異性化が進行し、trans-keto体ができ、ひずみを与え始める。ある程度trans-keto体が生成すると、そのひずみを解消するように結晶全体の構造がドミノ倒しのように進む。これが、光トリガー相転移の発現機構である。この時、β相からγ相へのエネルギー障壁が0.2 kJ/molと小さいことも光トリガー相転移の発現に寄与していると考えられる。
    光照射によって、光異性化と光トリガー相転移を起こすことができ、それらを組み合わせた複雑なメカニカル機能を創出することができた。

  • 光駆動型医療用カテーテルの開発

    早稲田大学理工学術院総合研究所  若手研究者支援事業アーリーバード

    研究期間:

    2016年06月
    -
    2017年03月
     

    谷口卓也

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特定課題研究

  • グラフ構造を用いた分子結晶の構造ー機能の相関探索

    2021年  

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    分子結晶は創薬や材料科学などの多岐にわたる分野で研究されているが、その開発にあたってはトライアンドエラーの繰り返しが必要であり、多大なリソースがかかっている。本研究では、グラフ構造を使って分子結晶をデータ化し、機械学習によって構造と種々の機能との関係性を探索した。分子結晶を分子グラフおよび結晶グラフで数理データ化し、グラフニューラルネットワーク(GNN)に入力した。目的変数はバンドギャップおよび融点を対象とした。GNNでの回帰分析の結果から、既存のフィンガープリント法で分子を表現するよりもグラフ構造で分子や結晶を表現する方が分子結晶のマテリアルズインフォマティクスに適していることが分かった。

  • メカニカル結晶と高分子のハイブリッド化によるアクチュエータ材料創製

    2020年  

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    本研究は、メカニカル有機結晶の長所と高分子の長所を合わせもった、光屈曲性ハイブリッド材料を創製することを目的とし、メカニカル結晶の出力最適化手法の開発およびハイブリッド化の高分子検討を行った。 メカニカル結晶の光屈曲を結晶サイズ・光照射強度を変えて観察し、撮影した動画から先端変位の時間変化を得た。時系列データから得た特徴量に対して回帰分析を行うことで、屈曲挙動を表す数理モデルを構築することができた。 このメカニカル結晶を高分子PVDF-HFPに様々な比率で混合した。高い混合比では均一なハイブリッド膜を得ることができず、比較的低い混合比の方がハイブリッド膜作製において最適であることが分かった。

  • 統計的機械学習に基づく有機結晶の構造相転移予測と設計

    2020年  

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    構造相転移は結晶構造が変化する現象であり、種々の機能を創発・制御することができため工学的に重要であるにも関わらず、構造相転移の発現を理論計算によって予測することは困難であった。そこで本研究では、構造相転移を発現する有機結晶を予測・設計することを目的とし、構造相転移に関係する記述子を検討した。 分子間相互作用エネルギー(以下E_i)および格子エネルギー(以下E_l)を計算した結果、構造相転移を発現する結晶は相転移温度を境にして不連続に変化したE_iが存在した。一方、構造相転移を発現しない結晶ではE_iおよびE_lは線形に変化した。これらの結果により、E_iやE_lの温度依存性の挙動から相転移の有無を区別できることが分かった。

  • 機械学習による構造相転移する有機結晶の開拓

    2019年  

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    The structural phase transition of molecular crystals is a mechanism to exhibit and/or regulate materials’ properties such as electromagnetic effects and actuation response. While the development of crystals with phase transition is of substantial importance, it has been still difficult to predict the occurrence which molecular crystals afford the rare phenomenon. To solve this problem, I tried to find efficient descriptors to account for a structural phase transition. In the first step, I compared available crystallographic software as to usability and interpretability. I tested COMPACK implemented in Mercury, XPac, CrystalCMP, CrystalExplore. Based on the comparison of some crystal data, XPac was useful to compare a small number of isostructural crystals, and CrystalCMP was useful for dendrogram visualization when the amount of data is much more. CrystalExplore can visualize intermolecular interaction as Hirshfeld surface and plot.&nbsp; It has an advantage in the interpretability of structural factors for a phase transition. Currently, some polymorphic crystals data are analyzed by the visualization and the obtained descriptors with these software.

 

現在担当している科目

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