超分子マシンの運動を簡便な力学操作で制御することに成功
~手の動きで分子を操ることができる界面技術~
国立研究開発法人 物質・材料研究機構
NIMS MANAの超分子ユニットの中西和嘉MANA研究員らは、ストラックライド大学のデヴィッド・チャン博士と共同で、分子マシンが水面上で集まることを利用し、ごく小さい力学的エネルギーを使ってこれを簡単に動かせることを明らかにしました。
概要
- NIMS 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点(MANA) 超分子ユニット (ユニット長 : 有賀 克彦) の中西和嘉MANA研究員らは、ストラックライド大学 (イギリス) のデヴィッド・チャン博士と共同で、分子マシン (機械的動きをする分子) が水面上で集まることを利用し、ごく小さい力学的エネルギーを使ってこれを簡単に動かせることを明らかにしました。本研究の成果は、センサー材料などへの応用を目指して研究されている様々な分子マシンを、力学的エネルギーにより動かす基盤技術となることが期待できます。
- 力学的エネルギーがどのように機械を動かすかは、目に見えるマクロなレベルでは、良く理解され、応用されてきました。一方、分子マシンのようなナノレベルでは、全体の力がどのように伝わり、分子の構造や機能に影響するのかを測定する方法が限られており、あまりよく知られていませんでした。しかしこのような動作原理を理解することは、力学的エネルギーを分子レベルで用い、分子レベルの機械を自在に動かすために必須です。
- 今回、気体と水の境界面 (気水界面) に集まった分子マシン (超分子集合体) に対して、力学的エネルギーを与えることで、分子にかかる圧力や分子の構造変化などを詳細に測定することに成功しました。本研究では、分子マシンとして、ペンチの形を模したビナフチル分子を用いました。ビナフチル分子は、気水界面に向きをそろえて並び、単分子1層の集まりから成る膜を形成します。水面で仕切り板を動かすことで、この膜に外から力学的エネルギーを加えて、圧縮したり拡張させたりすると、その中のビナフチル分子を効率よく繰り返し開閉することができ、非常に小さな力で開閉の角度を制御することが可能であることが分かりました。
- これまでは、分子マシンの構造変化について3次元の状態で測定が行われていましたが、気水界面では2次元であるため、状態を単純化できます。さらにこの超分子集合体は、厚みは分子レベルと非常に小さいですが、面積は目に見えるほど大きく、手でも動かすことができる仕切り板の移動を、機械で精密に制御することによって分子の構造変化を観察できるため、現象の詳細な理解が比較的簡易に可能となりました。また、今回用いた力学的エネルギーは、通常分子マシンを動かすのに使われる光や熱エネルギーと比較し桁違いに小さいため、本技術は、簡便かつ省エネの新しいナノ技術となることが期待されます。
- 本研究は 、日本学術振興会科学研究費補助金 新学術領域研究『柔らかな分子系』 (領域代表 : 理化学研究所 田原 太平) の一環として行われました。
- 本研究成果は、ドイツ化学会誌「Angewandte Chemie International Edition」にて2015年6月12日にオンライン速報版として公開されました。 (論文 : D. Ishikawa, T. Mori, Y. Yonamine, W. Nakanishi*, D. L. Cheung*, J. P. Hill, and K. Ariga* "Mechanochemical tuning of binaphthyl conformation at the air-water interface" Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.201503363)
プレスリリースの図3 : 両親媒性ビナフチルの構造と、気水界面での圧縮による分子変形の模式図
a) 左より、両親媒性ビナフチルを模したペンチ、両親媒性ビナフチルの化学式、両親媒性ビナフチルの3次元構造。b), c) 気水界面に両親媒性ビナフチルが並び、圧縮と拡張により、ペンチの開閉に類似した構造変化 (配座変化) が起こる様子
