2019 Fiscal Year Annual Research Report
Design of Molecules and Construction of Molecular Assemblies for the Development of Aquatic Functional Materials
| Project Area | Aquatic Functional Materials: Creation of New Materials Science for Environment-Friendly and Active Functions |
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| Project/Area Number |
19H05715
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
加藤 隆史 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (70214377)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
牧浦 理恵 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30457436)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 水圏機能材料 / 液晶 / 超分子 / ハイブリッド材料 / 分子集合体 / 自己組織化 / イオンチャンネル / 水素結合 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
加藤（研究代表者）の基盤技術である超分子・分子集合体および液晶材料の設計合成技術を駆使して、選択的な輸送機能・分離機能を発現するイオン機能性液晶を創製した。坂本（研究協力者）と協力し、イオン性扇状および棒状分子を合成した。これらの分子の配列化・重合を行い、イオン性官能基からなるナノチャネル構造を有する自己組織化薄膜を形成させた。これらは優れたウイルス除去能や選択的イオン透過能を有する水処理膜として機能することがわかった。このような水処理膜において、A02-1原田らの放射光分光測定により、イオンチャネル中のイオン機能部位に水和した水の水素結合構造を解析した。A02-2鷲津の水和構造計算も活用し、イオンの検出や選択的輸送機能との相関を明らかにした。その知見に基づき、水和水構造によってイオン機能を制御できる人工イオンチャネルの構造を最適化できると考えられる。
加藤（研究代表者）は、生分解性・軽量強靭材料にならう水圏ハイブリッド材料（有機無機融合材料）の基盤となる無機コロイド液晶の水圏合成を行なった。棒状、円盤状のナノ構造を作り分けることに成功した。これらは、コロイド液晶状態を示した。A02-1瀬戸と、これらの無機コロイド液晶のせん断での配向挙動を中性子散乱で調べた。
さらに、加藤（研究代表者）は、水界面において生体分子を認識する新規メソゲン分子を構築し、そのセンシング能を調べた。また、これらの気液界面における構造形成を牧浦（研究分担者）と共同して調べた。さらにその界面における認識能を、A02-2渡辺と共同してシミュレーションを行った。
牧浦（研究分担者）は、水と気体の界面（水圏界面）における特異性を利用した分子の配列制御に向け、水相（金属イオン濃度、pHなど）が配列状態に与える影響を調べ、水相の酸性度が界面に形成される分子膜の膜厚に影響を与えることを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
加藤（研究代表者）は、水圏で働く水処理膜において、イオン性のスメクチック液晶を用いて二次元の水チャンネルを有する膜を新たに構築することに成功した。これらは高いウイルス除去能と比較的高い水透過能を示し、これらの結果をSmall誌に報告した。また、イオン性の双連続キュービック液晶・カラムナー液晶などからなる水処理膜のイオン輸送能については、シミュレーションにより知見を得ることができ、Environ. Sci. Water Res. Technol. 誌に報告した。
加藤（研究代表者）は、水圏合成において、炭酸カルシウムの微粒子を、棒状あるいは円盤状に選択的に作り分けることに成功した。さらにこれらはコロイド液晶となり、配向挙動を示すことを明らかにして、Nanoscale Advances誌に報告した。さらに、ヒドロキシアパタイトのコロイド液晶を構築した。この材料に関しては、A02-1瀬戸と共同研究を行い無機コロイド液晶のせん断での挙動を中性子散乱で解析することに成功し、Nanoscale誌に報告した。これは本年度の代表的な研究項目内共同研究の例である。A02-1原田や、A02-2鷲津、渡辺とも共同研究が順調に進み論文を執筆するところまで到達している。
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| Strategy for Future Research Activity |
水圏機能材料の基盤となる分子設計・分子集合体の構築という観点により、さらに高機能性の水圏機能材料を構築する。すなわち、A02やA03および公募研究と共同して、イオン機能性、バイオ・環境機能性、メカノ機能性を発揮する水圏機能材料を、新たに創製し、その学理を追求していく。
新たに得られた水圏機能材料である水処理膜をさらに精密化した膜をナノ構造制御により構築していく。これらの膜のさらなる選択性や、また、ウイルスなどの有害物の高度な分離性能を向上させていく。このためには、A02との共同研究により、ナノチャネル内の水の構造を、SPring８の軟X線測定（A02-1原田）やJ-PARCの中性子散乱測定（A02-1瀬戸）により水分子と液晶分子の相互作用や、水分子の水素結合構造を明らかにして、水圏機能材料の学理を構築する。また、シミュレーションにより（A02-1 鷲津、渡辺）、水圏機能材料の基盤となる分子集合体の構築のための分子設計に関する知見を得ていく。これらをA03、田中求、田中賢、高島らと共同して、新しい水圏機能性ナノ輸送材料として展開していく。
また、水圏合成により構築する無機ハイブリッド微粒子と、A01-2の辻・武田・福島らが合成する様々な機能性生分解性分子・π共役分子・光機能分子などを複合化させて、あらたな環境調和材料、バイオ機能材料を構築していく。
A01-1内でも、加藤・牧浦の共同研究により、気液界面において、分子認識部位を有する液晶材料の設計・挙動解析を行い、新たなセンシング機能を有する水圏機能材料を構築していく。
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[Journal Article] High Virus Removal by Self-Organized Nanostructured Two-Dimensional Liquid-Crystalline Smectic Membranes for Water Treatment2020
Author(s)
Daniel Kuo, Miaomiao Liu, K. R. Sunil Kumar, Kazuma Hamaguchi, Kian Ping Gan, Takeshi Sakamoto, Takafumi Ogawa, Riki Kato, Nobuyoshi Miyamoto, Hiroki Nada Masahiro Kimura, Masahiro Henmi, Hiroyuki Katayama, and Takashi Kato
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Journal Title
Small
Volume: 16
Pages: 印刷中
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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