Advanced Structure and Dynamics Analysis 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 |
19H05717
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Science and Engineering
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
原田 慈久 東京大学, 物性研究所, 教授 (70333317)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
瀬戸 秀紀 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 教授 (60216546)
池本 夕佳 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 分光・イメージング推進室, 主幹研究員 (70344398)
菱田 真史 筑波大学, 数理物質系, 助教 (70519058)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2020)
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| Budget Amount *help |
¥202,280,000 (Direct Cost: ¥155,600,000、Indirect Cost: ¥46,680,000)
Fiscal Year 2021: ¥41,860,000 (Direct Cost: ¥32,200,000、Indirect Cost: ¥9,660,000)
Fiscal Year 2020: ¥41,470,000 (Direct Cost: ¥31,900,000、Indirect Cost: ¥9,570,000)
Fiscal Year 2019: ¥43,420,000 (Direct Cost: ¥33,400,000、Indirect Cost: ¥10,020,000)
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| Keywords | 水圏機能材料の機能発現機構解明 / 先端計測手法の最適化 / 水圏機能材料の構造解析 / 水圏機能材料の運動解析 / 水と材料の相互作用解析 / 水素結合構造 / 放射光軟Ｘ線分光 / 放射光赤外分光 / 中性子準弾性散乱 / 中性子小角散乱 / テラヘルツ分光 / その場計測 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究は、「水環境」や「生体」と調和しながら機能する様々な材料群に対し、その機能を精密に制御、あるいは最大化する条件を見出すために、先端分析手法を駆使して、材料と水の相互作用を明らかにする。
具体的には、放射光Ｘ線を用いた電子状態解析、中性子を用いた運動状態解析、放射光赤外を用いた水・官能基の相互作用評価、テラヘルツ分光と熱分析によるマクロな運動状態解析を軸として、Ｘ線・中性子小角散乱、原子間力顕微鏡等の手法を組み合わせ、機能に関わる材料・水の構造、運動状態の抽出を行い、水圏機能材料の最適設計の指針となる学理を構築・確立する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、先端的な水計測手法により１．界面接続（つなぐ）２．融合機能発現（はたらく）３．水環境合成（つくる）という水の役割と作用機序を明らかにし、その知見を高機能な水圏機能材料創製にフィードバックすることを目指している。本年度は以下の研究を推進した。
①水と材料の相互作用の素過程解析
（つなぐ）A01-1 加藤の液晶高分子薄膜からなるイオンチャネル内の水の水素結合構造を放射光軟Ｘ線分光で捉え、イオン半径とチャネル孔径では説明できないイオン選択透過性のメカニズムを解明した。A01-2 武田らの外部刺激応答分子の発光色が湿度で変化する様子を放射光赤外分光で解析し、水分子が材料の局所構造変化を誘起して光機能を制御する様子を捉えた。（はたらく）A03-2 田中賢の生体親和性高分子の表面にある界面水の水素結合構造・運動を放射光軟Ｘ線分光および中性子準弾性散乱で分離観測することに成功した。またテラヘルツ分光法により、従来行われてきた熱測定では観測が困難であったタンパク質安定化剤の水和状態を生体環境温度で測定した。放射光赤外分光では、A03-3 松葉の食品中高分子が水を取り込む過程において、水同士の相互作用が高分子の種類・秩序状態によって異なることを見出した。（つくる）A03-3 高島の超分子ヒドロゲルを放射光赤外分光で解析し、水と材料の相互作用が力学特性に与える影響を考察した。
②先端計測手法の最適化と材料の機能解析
水の「流れ」がある環境下におけるその場計測の開発として、中性子小角散乱を用いてA01-1 加藤のヒドロキシアパタイトの液晶性コロイドを観測し、ずり流動場による配向現象と粘弾性の変化の要因を明らかにした。
さらにA02内連携として、テラヘルツ分光、中性子準弾性散乱とA02-2 樋口の分子動力学法を組み合わせたリン脂質の水和状態解析を行い、分子に依存した水和状態変化の可視化を行った。
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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
研究計画の各項目は、ほぼ予定通りに進展している。理由を以下に列挙する。
（１）ナノメートルオーダーの径を持つ液晶高分子膜中のイオンチャネルに取り込まれた水の計測から、放射光軟Ｘ線分光は高感度かつ敏感に界面水の水素結合状態を検出可能であることがわかった。これは水を分子として捉える水圏機能材料の研究において、放射光軟Ｘ線分光が極めて強力な手法となることを示している。（２）粘弾性と中性子小角散乱の同時測定（Rheo-SANS測定）を行うことにより、ずり流動場による液晶性コロイドの構造形成との関係を明らかにし、ヒドロキシアパタイトの刺激応答性の要因を明らかにすることができた。この成果は、今後新たに展開する「水の流れ」と「水・材料間の相互作用」の解析に繋がるものである。（３）生体親和性高分子について、水素結合構造および運動状態の異なる界面水を捉えることのできる計測の体制が整った。今後高分子鎖の官能基や主鎖を改変して水の水素結合構造・運動状態変化を捉えることにより、生体親和機能を制御した生体親和高分子の合成にフィードバックする見通しが立った。（４）従来、界面水の測定にはDSCを用いた熱測定が用いられてきたが、タンパク質安定化剤などの小分子では溶液の凍結挙動が複雑で測定が困難であった。in situ測定が可能なテラヘルツ分光法の特徴を生かし、種々の安定化剤の水和を測定することで、水和状態と安定化効果の関係性が明らかになりつつある。（５）これまで、テラヘルツ分光法によってリン脂質の分子構造に依存した水和状態の違いが発見されてきているが、その分子的な起源は不明であった。中性子準弾性散乱と分子動力学法を用いた計算機実験を併用することで、その起源が明らかになりつつある。
一連の計測とその解析を通じて、今後A02内の計測・シミュレーション間の連携を加速することの重要性も明確になった。
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| Strategy for Future Research Activity |
水と材料の相互作用の素過程解析を通じた、機能向上へのフィードバックプロセスの確立を目指して、以下の６つの項目について研究を進める。
（１）放射光赤外分光を用いてA01-1 加藤のイオンチャネル内の水の計測を行い、軟Ｘ線分光の結果とA02-2 鷲津の水圏シミュレーション解析の結果と照合することにより、イオン選択的透過機能に対する水の構造・運動、官能基の電荷、孔サイズ等の役割を明らかにする。（２）A03-1 田中求が合成するファイトケラチン着想型高分子とCdの溶液中反応に対し、放射光赤外分光で反応のその場解析を行う。（３）A03-2 田中賢が合成する種々の生体親和性高分子表面および界面水の構造・運動を放射光分光、中性子散乱、テラヘルツ分光を駆使して観測し、タンパク質・細胞の選択吸着機能を支配する要因を解明する。（４）A03-3 高島が創る超分子ヒドロゲルの放射光分光、テラヘルツ分光により、界面水の構造とホスト・ゲスト分子の配向、水和構造を抽出し、水分子がホスト-ゲスト相互作用に果たす役割から接着のメカニズムを明らかにする。（５）生体親和機能材料のプロトタイプとして、PEGの放射光分光、Ｘ線小角散乱、中性子散乱、テラヘルツ分光、熱分析を行い、A02-2 鷲津と連携して水・材料の構造・運動を精密に解析する手法を確立する。（６）本年度開発した中性子小角散乱を用いたその場計測を継続・発展しつつ、各先端計測手法の中に「水の流れの有無・速さ」を計測パラメータの一つとして取り込み、A02-2 鷲津が明らかにする「水の流れ」と「水・材料間の相互作用」の解析と組み合わせる。
１～６の素過程解析を通じて水と材料の相互作用および水の役割、それらが機能に与える影響を明らかにすることにより、水圏機能材料の機能発現の学理を構築するとともに、それぞれの材料設計にフィードバックする。
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Report
(1 results)
Research Products
(36 results)
