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2025-11-17 16:00:00
将来的には、必要に応じて自らを再構成し、生物のように構造や特性に適応できる材料が登場する可能性があります。
日本の科学者チームは、光の強度を調整することで1D、2D、または3D構造に変形する超分子ポリマーシステムを開発した。
千葉大学の研究者らは、この開発は適応性の高い新世代の「スマート」材料につながる可能性があると述べている。現在のマテリアルは、その形状が確立されると一般に静的になります。
この作品では、生物と同様に、受け取るエネルギーの量に応じて構造や状態が変化する非生物学的システムを示しています。
異なる光強度の下で、次元的に異なる超分子構造がどのように生じるか。提供：千葉大学 玉木健太助教
光の強さの変化
この研究は、材料科学の中核となる課題、つまり平衡状態から外れた分子集合体、つまり安定した熱力学的状態の外側に存在する構造を作成することに取り組んでいます。
「私たちのグループは、光を用いて分子集合体のナノスケールからメソスケールの形態を制御することを目的としたユニークな研究を長年にわたって追求してきました」と矢貝志樹教授は語ります。
「しかし、生物と同じように、受け取るエネルギーの量に応じて構造や状態が変化する、平衡から外れたシステムはまだ実現していませんでした」と矢貝氏は付け加えた。
この革新性は、光応答性の「アゾベンゼン」ユニットと「バルビツール酸ベースのメロシアニン」コアを組み合わせた特別に設計された分子にあります。
このユニークな組み合わせにより、材料は光によって誘発され制御される超分子多形性、つまりさまざまな集合構造を形成する能力を示すことができます。
最初に、合成された分子は自己集合して 1D コイル状のナノファイバーになります。周囲光の下で静置しておくと、これらは自然に熱力学的に安定した 2D ナノシートに変化します。ここから光の強さの魔法が始まります。
適応性のある材料
2D ナノシートが強い紫外 (UV) 光にさらされると、研究者らは劇的な逆転を観察しました。
材料は 1D 線状ナノファイバーに戻りました。
高速原子間力顕微鏡 (HS-AFM) により、この変化はアゾベンゼン単位の光異性化によるものであり、2D シートを結合している水素結合が破壊されたことが明らかになりました。
興味深いことに、この変化は、特に光にさらされたナノ結晶の特定の面に沿って発生しました。
さらに驚くべきことに、弱い紫外線にさらされると、システムはまったく異なる経路をたどりました。
透過型電子顕微鏡 (TEM) と AFM 観察により、より小さなナノシートが分解される一方で、より大きなナノシートが垂直に成長し始め、複雑な 3D ナノ結晶が形成されることが示されました。
オストワルド熟成として知られるこのプロセスには、小さな構造が溶解し、大きな構造の上に再堆積することが含まれます。 HS-AFM は、二次核生成やエピタキシャル成長などの局所的な成長イベントを美しく捉えました。
「この平衡から外れた超分子システムは、生命システムと同じように、外部刺激に反応して状態を変化させることができる高機能材料の開発への道を切り開きます。」 結論付けた Yagai.
「将来的には、光活性、電気活性、さらには触媒機能を分子設計に直接組み込むことで、機能的性能が環境変化に自発的に適応するシステムを作成できる可能性があります。」
この研究は、自己修復表面や動的センサーから、適応可能なドラッグデリバリーシステムやエネルギーハーベスティング技術に至るまで、周囲の環境に反応できる新世代のスマートマテリアルへの扉を開きます。
研究は雑誌に掲載されました 化学 11月17日。
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