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光異性化分子の「動き」がつくる分子集合体の「動き」を数理モデルから解き明かす

公募研究

研究領域次世代物質探索のための離散幾何学
研究課題/領域番号 20H04622
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 理工系
研究機関北海道大学

研究代表者

景山 義之  北海道大学, 理学研究院, 助教 (90447326)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
22,360千円 (直接経費: 17,200千円、間接経費: 5,160千円)
2021年度: 11,440千円 (直接経費: 8,800千円、間接経費: 2,640千円)
2020年度: 10,920千円 (直接経費: 8,400千円、間接経費: 2,520千円)
キーワード自己組織化 / 散逸構造 / 対称性の破れ / 非線形現象 / 弾性体 / ランダウ理論 / アクティブマター / 超分子モーター / 時空間階層構造 / 自律運動材料 / 数理モデル / 分子ロボット / 帆立貝定理 / エネルギー変換
研究開始時の研究の概要

ナノスケールの分子の動きにより、マクロな動きを作ることが期待されている。我々が実現した、アゾベンゼンの定常的な光異性化反応が創り出す分子集合体の継続運動は、分子レベルでの変化が同調してマクロな自律運動を実現しているという点で、上記期待に応える一例である。本計画では、この現象を対象にした数理モデル解析により、分子やそれが並んだ結晶構造と、マクロスコピックに観察される運動との階層を越えた関係を明確にしていく。なお、従来の材料開発では、分子変換に伴い、材料がどのように安定な構造になるかが検討されてきた。これに対し本研究は、分子もマクロな構造も常に動き続ける材料を対象にする点で、新しい挑戦である。

研究実績の概要

この研究では、アゾベンゼンの可逆な光異性化反応と、そのアゾベンゼンを含有した結晶の異性体比変化が惹起する構造相転移が連携することで実現された、結晶の時間周期的な構造変化を伴った自己組織化構造について、その力学的形態変化を離散数学によって解析する。これにより、ミクロの分子モーターによってマクロな自律的巨視的変化を生み出す仕組みを明らかにするとともに、その実現に必要な要件の明確化、および新規自律運動材料の設計指針を生み出すことを目的にしている。
本年度は、結晶の水中での遊泳挙動について再検討した。粘性抵抗が支配的な環境では、結晶は前進と後退を繰り返し、正味としての力学的仕事はできない。また、剛体モデルの結晶が「しなる」動きをみせたとしても、モデル計算では遊泳しなかった。これらのことから、「狭い環境という異方性が水のニュートン液体としての性質を崩しているのではないか」という仮定を導入したときの結晶の遊泳を解析した。すると、実際の結晶で観察された遊泳挙動に、幾ばくか似た動きを示した。その結果はSmall誌から報告した。一方で、正味の遊泳を示せた真の理由は明らかにできていない(仮説に対して十分な証拠を示せていない)。対称性の破れがどのように発生するかを明らかにすることは簡単ではない。
次に、結晶を弾性体とみなし、それを小さな領域に分けて、その領域間に弾性的相互作用を設定したモデルについて、各領域の相状態の変化によって結晶がどのような形状変化を示すか、という課題について、昨年度からの研究を継続した。定常光照射下で、各領域の相状態が変化する挙動や、結晶が継続的に屈曲を繰り返す挙動について、モデル上でよく再現することができた。但し、この研究についても、ミクロとマクロをつなぐところに存在する「非線形性/非対称性」がどこから生まれているのか、を明らかにできておらず、本質的課題が一つ残された。

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 研究成果

    (17件)

すべて 2022 2021 2020 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 4件、 招待講演 5件) 図書 (1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Self-Propulsion of a Light-Powered Microscopic Crystalline Flapper in Water2022

    • 著者名/発表者名
      Kazuma Obara, Yoshiyuki Kageyama, Sadamu Takeda
    • 雑誌名

      Small

      巻: 18 号: 6 ページ: 2105302-2105302

    • DOI

      10.1002/smll.202105302

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 機械的な挙動で力学的仕事を継続的に行う有機分子デバイスの創出2021

    • 著者名/発表者名
      景山 義之
    • 雑誌名

      日本応用物理学会 有機分子・バイオエレクトロニクス分科会誌

      巻: 32 ページ: 194-204

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] Molecular Actuators and Their Applications in Molecular Robotics2021

    • 著者名/発表者名
      Arif Md. Rashedul Kabir; Yoshiyuki Kageyama; Akira Kakugo
    • 雑誌名

      Encyclopedia of Robotics

      巻: - ページ: 1-12

    • DOI

      10.1007/978-3-642-41610-1_192-1

    • ISBN
      9783642416101
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Robust Dynamics of Synthetic Molecular Systems as a Consequence of Broken Symmetry2020

    • 著者名/発表者名
      Yoshiyuki Kageyama
    • 雑誌名

      Symmetry

      巻: 12 号: 10 ページ: 1688-1688

    • DOI

      10.3390/sym12101688

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 化学反応で自律系を創るということと、そこから生まれる新視点2022

    • 著者名/発表者名
      景山義之
    • 学会等名
      氷雪セミナー
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 定常光照射下で自励振動するアゾベンゼン分子集合体にみられる分子レベル継続ダイナミクスの集団化と巨視的ダイナミクス2022

    • 著者名/発表者名
      景山義之・小林康明・矢崎大介・池上智則
    • 学会等名
      日本化学会第102春季年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Mechanically “working” soft-crystal under steady light irradiation2021

    • 著者名/発表者名
      Yoshiyuki Kageyama
    • 学会等名
      錯体化学会第71回討論会 若手の会シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Shape change and work behavior of bistable self-oscillatory photochromic material in aqueous condition towards microrobot2021

    • 著者名/発表者名
      Yoshiyuki Kageyama
    • 学会等名
      第21回名古屋国際数学コンファレンス
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Sustainable and far-from-equilibrium mechanical functions of macroscopic molecular assemblies driven by a steady energy source2021

    • 著者名/発表者名
      Yoshiyuki Kageyama; Tomonori Ikegami; Kohei Miyafusa; Haruna Sasaki; Kazuma Obara; Sadamu Takeda
    • 学会等名
      PACIFICHEM 2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Self-organization of repetitive transformations in tiny azobenzenes to realize autonomous mechanical function on a macroscopic scale2021

    • 著者名/発表者名
      Yoshiyuki Kageyama; Tomonori Ikegami; Sadamu Takeda
    • 学会等名
      PACIFICHEM 2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Azobenzene-photoisomerization resultant self-continuous motion of soft molecular assemblies under a photosteady state2021

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Yazaki; Tomonori Ikegami; Yoshiyuki Kageyama
    • 学会等名
      PACIFICHEM 2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 青色光照射で自律振動するミクロサイズの結晶の水中での遊泳とモデル2021

    • 著者名/発表者名
      小原一馬・景山義之・武田定
    • 学会等名
      日本化学会春季年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 青色光照射下で波打ち型の振動を示すアゾベンゼン誘導体の結晶構造解析と振動解析2021

    • 著者名/発表者名
      矢崎大介・池上智則・景山義之・武田定
    • 学会等名
      日本化学会春季年会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] やわらかい結晶のしなやかな光駆動自律運動2020

    • 著者名/発表者名
      景山義之
    • 学会等名
      第80回分析化学討論会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 自律的な振動運動をする薄膜状結晶の水中での泳ぎ2020

    • 著者名/発表者名
      小原一馬・景山義之・武田定
    • 学会等名
      第5回非線形科学オンライン研究会(若手の会)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [図書] "Robust Dynamics of Synthetic Molecular Systems as a Consequence of Broken Symmetry" in "Chemical Symmetry Breaking"2021

    • 著者名/発表者名
      Yoshiyuki Kageyama
    • 総ページ数
      15
    • 出版者
      MDPI
    • ISBN
      9783036511306
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [備考] 研究者ウェブページ

    • URL

      https://www.sci.hokudai.ac.jp/~y.kageyama/public/

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書 2020 実績報告書

URL: 

公開日: 2020-04-28   更新日: 2022-12-28  

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