水圏機能材料の基盤となる分子設計・分子集合体の構築

2020 年度 実績報告書

• 研究領域: 水圏機能材料：環境に調和・応答するマテリアル構築学の創成
• 研究課題/領域番号: 19H05715
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 加藤 隆史 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (70214377)
• 研究分担者: 牧浦 理恵 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30457436)
• 研究期間 (年度): 2019-06-28 – 2024-03-31
• キーワード: 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 / イオンチャネル / 水素結合

研究実績の概要

加藤（研究代表者）は、水圏で働く水処理膜において、液晶構造の自己組織化を活用し、一次元（カラムナー液晶）、二次元（スメクチック液晶）、三次元（双連続キュービック液晶）の水チャネル構造を有する水処理膜を構築した。チャネル孔径の制御として光開裂する官能基を導入した。これらは優れたウイルスおよび分子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を示した。この水処理膜において、A02-1原田の軟X線発光分光により、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、塩素イオンよりサイズの大きい硫酸イオンの水素結合構造と類似するため選択的透過が起きることを示した（Angew. Chem.誌）。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（論文投稿中）。また、リチウムイオンを伝導するイオン伝導性液晶を電池電解質として安定に充放電できることを示した（Chem. Sci.誌）。A01-2岡本と分子配列を精緻に制御した電子輸送材料を開発した（J. Am. Chem. Soc誌）。
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った（Nanoscale Adv.誌）。
さらに、生体分子を導入した液晶分子の水界面における認識挙動を、A02-2渡辺と共同してシミュレーションを行い報告した（Langmuir誌）。またA01-2福島と環境調和型のプラスチックアップサイクリングを報告した。
牧浦（研究分担者）は、加藤（研究代表者）と水と気体の界面（水圏界面）における特異性を利用した分子配列制御に向け、表面圧縮度が液晶性分子の配列状態に与える影響を調べた。その結果、分子配向が界面に形成される単分子膜のモルフォロジや水の接触角に大きな影響を与えることが明らかになった。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

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・梶山・内田（それぞれ研究協力者）と協力し、これらの分子の配列化・重合・孔形制御を行い、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。特に、棒状重合分子からなるスメクチック液晶水処理膜は、きわめて高い水からのウイルス除去能（99.9999%）を示した。一次元・三次元のチャネル構造を有し孔内にカチオン性基を有する水処理膜のイオン選択性を、A02原田（研究代表者）と共同して放射光分光により膜内の水を調べ、その選択性を明らかにした。さらにA02鷲津と、その水処理膜における分子自己組織化挙動およびチャネル内の水の状態を分子シミュレーションで行い、分子の集合状態に関する知見を得た。A01岡本（研究協力者）と有機半導体を精緻に配列した電子輸送材料を開発した。
液晶／水界面において、生体分子を認識する生体分子とコンジゲートした新規メソゲン分子を合成した。これらの気液界面における構造形成および分子認識挙動を牧浦・渡辺（研究分担者）と共同して計測・シミュレーションの観点から調べた。
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。さらにこれらのコロイド液晶形成および、配向挙動を明らかにした。さらに、ヒドロキシアパタイトのコロイド液晶も構築した。この材料に関しては、A02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た。
また、A01福島（研究分担者）およびA03田中賢（研究代表者）と共同して生体親和性・環境調和性を示す高分子を開発した。

今後の研究の推進方策

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・有害化学物質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、SPring-8の軟X線測定（A02原田）やJ-PARCの中性子散乱測定（A02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・生体機能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。

研究成果

• [国際共同研究] コーネル大学/IBM(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: コーネル大学/IBM
• [国際共同研究] バイロイト大学(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: バイロイト大学
• [国際共同研究] バスク大学(スペイン)
  • 国名: スペイン
  • 外国機関名: バスク大学
• [雑誌論文] Self-Healing and Shape Memory Functions Exhibited by Supramolecular Liquid-Crystalline Networks Formed by Combination of Hydrogen Bonding Interactions and Coordination Bonding (2021)
  • 著者名/発表者名: Junya Uchida, Masafumi Yoshio, and Takashi Kato
  • 雑誌名: Chemical Science 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1039/d0sc06676a
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Self-Assembly of Peptide-Containing Mesogens: Thermotropic Liquid-Crystalline Properties and Macroscopic Alignment of Amphiphilic Bioconjugates (2021)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Eimura ,Anna Niwa ,Junya Uchida , and Takashi Kato
  • 雑誌名: Bulletin of the Chemical Society of Japan 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1246/bcsj.20210051
  • 査読あり
• [雑誌論文] Exploring Structures and Dynamics of Molecular Assemblies: Ultrafast Time-Resolved Electron Diffraction Measurements (2021)
  • 著者名/発表者名: Masaki Hada, Yuta Nishina, and Takashi Kato
  • 雑誌名: Accounts of Chemical Research 巻: 54 ページ: 731-743
  • DOI: 10.1021/acs.accounts.0c00576
  • 査読あり
• [雑誌論文] Supramolecular Association and Nanostructure Formation of Liquid Crystals and Polymers for New Functional Materials (2021)
  • 著者名/発表者名: Takashi Kato, Monika Gupta, Daisuke Yamaguchi, Kian Ping Gan, and Masanari Nakayama
  • 雑誌名: Bulletin of the Chemical Society of Japan 巻: 94 ページ: 357-376
  • DOI: 10.1246/bcsj.20200304
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Methoxy-Functionalized Glycerol-Based Aliphatic Polycarbonate: Organocatalytic Synthesis, Blood Compatibility, and Hydrolytic Property (2021)
  • 著者名/発表者名: Valentina Montagna, Junko Takahashi, Meng-Yu Tsai, Takayuki Ota, Nicolas Zivic, Seigou Kawaguchi, Takashi Kato, Masaru Tanaka, Haritz Sardon, and Kazuki Fukushima
  • 雑誌名: ACS Biomaterials Science & Engineering 巻: 7 ページ: 472-481
  • DOI: 10.1021/acsbiomaterials.0c01460
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Ion Selectivity of Water Molecules in Subnanoporous Liquid-Crystalline Water-Treatment Membranes: A Structural Study of Hydrogen Bonding (2020)
  • 著者名/発表者名: Ryusuke Watanabe, Takeshi Sakamoto, Kosuke Yamazoe, Jun Miyawaki, Takashi Kato, and Yoshihisa Harada
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 59 ページ: 23461-23465
  • DOI: 10.1002/anie.202008148
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Biomolecular Binding at Aqueous Interfaces of Langmuir Monolayers of Bioconjugated Amphiphilic Mesogenic Molecules: A Molecular Dynamics Study (2020)
  • 著者名/発表者名: Go Watanabe, Hiroki Eimura, Nicholas L. Abbott, and Takashi Kato
  • 雑誌名: Langmuir 巻: 36 ページ: 12281-12287
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.0c02191
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Nanostructured Liquid-Crystalline Li-Ion Conductors with High Oxidation Resistance: Molecular Design Strategy towards Safe and High-Voltage-Operation Li-Ion Batteries (2020)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Kuwabara, Mayu Enomoto, Eiji Hosono, Kazuma Hamaguchi, Taira Onuma, Satoshi Kajiyama, and Takashi Kato
  • 雑誌名: Chemical Science 巻: 11 ページ: 10631-10637
  • DOI: 10.1039/D0SC01646B
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Thermally Tunable Selective Formation of Self-Assembled Fibers into Two Orthogonal Directions in Oriented Liquid-Crystalline Smectic Templates (2020)
  • 著者名/発表者名: Daisuke Yamaguchi, Yuka Ikemoto, and Takashi Kato
  • 雑誌名: Chemical Communications 巻: 56 ページ: 9954-9957
  • DOI: 10.1039/D0CC01950J
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Formation of Bis-benzimidazole and Bis-benzoxazole through Organocatalytic Depolymerization of Poly(ethylene terephthalate) and Its Mechanism (2020)
  • 著者名/発表者名: Kazuki Fukushima, Gavin O. Jones, Hans W. Horn, Julia E. Rice, Takashi Kato, and James L. Hedrick
  • 雑誌名: Polymer Chemistry 巻: 11 ページ: 4904-4913
  • DOI: 10.1039/D0PY00436G
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Alkyl-Substituted Selenium-Bridged V-Shaped Organic Semiconductors Exhibiting High Hole Mobility and Unusual Aggregation Behavior (2020)
  • 著者名/発表者名: Toshihiro Okamoto, Masato Mitani, Craig P. Yu, Chikahiko Mitsui, Masakazu Yamagishi, Hiroyuki Ishii, Go Watanabe, Shohei Kumagai, Daisuke Hashizume, Shota Tanaka, Masafumi Yano, Tomokatsu Kushida, Hiroyasu Sato, Kunihisa Sugimoto, Takashi Kato, and Jun Takeya
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 142 ページ: 14974-14984
  • DOI: 10.1021/jacs.0c05522
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of Functional Nanoporous Membranes Based on Photocleavable Columnar Liquid Crystals - Selective Adsorption of Ionic Dyes (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuto Suzuki, Takeshi Sakamoto, Masafumi Yoshio, and Takashi Kato
  • 雑誌名: European Polymer Journal 巻: 134 ページ: 109859
  • DOI: 10.1016/j.eurpolymj.2020.109859
  • 査読あり
• [雑誌論文] High Virus Removal by Self-Organized Nanostructured 2D Liquid-Crystalline Smectic Membranes for Water Treatment (2020)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Small 巻: 16 ページ: 202001721
  • DOI: 10.1002/smll.202001721
  • 査読あり
• [雑誌論文] Bioinspired Selective Synthesis of Liquid-Crystalline Nanocomposites: Formation of Calcium Carbonate-Based Composite Nanodisks and Nanorods (2020)
  • 著者名/発表者名: Masanari Nakayama, Satoshi Kajiyama, Akihito Kumamoto, Yuichi Ikuhara, and Takashi Kato
  • 雑誌名: Nanoscale Advances 巻: 2 ページ: 2326-2332
  • DOI: 10.1039/D0NA00130A
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] ウイルスから私たちを守る高分子材料 (2021)
  • 著者名/発表者名: 加藤隆史
  • 学会等名: Future Trend in Polymer Science 2020 (オンライン開催) (招待講演)
  • 招待講演
• [学会発表] ソフトナノ空間を形成する自己組織化液晶高分子膜を基盤とする輸送材料の創製 (2021)
  • 著者名/発表者名: 加藤隆史
  • 学会等名: 2020年度先端膜工学研究推進機構活動報告会 膜工学春季講演会・膜工学サロン (神戸) (オンラインライブ配信) (招待講演)
  • 招待講演
• [学会発表] ソフトナノ空間を形成する自己組織化液晶高分子を基盤とする革新的輸送材料の創製 (2021)
  • 著者名/発表者名: 加藤隆史
  • 学会等名: 日本化学会第101春季年会 (オンライン開催) (招待講演)
  • 招待講演
• [学会発表] 自己組織化イオン液晶のナノチャネルにおける水和様態の分子動力学解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 石井良樹, 松林伸幸, 渡辺豪, 加藤隆史, 鷲津仁志
  • 学会等名: 日本化学会第101春季年会 (オンライン開催)
• [学会発表] 分子シミュレーションを用いた自己組織化イオン液晶のナノチャネルにおける水和様態解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 石井良樹, 松林伸幸, 渡辺豪, 加藤隆史, 鷲津仁志
  • 学会等名: 化学工学会第86年会 (オンライン開催)
• [学会発表] Development of Two Dimensional Nanostructured Virus Filtration Membranes Based on Gemini Smectic Liquid Crystals (2021)
  • 著者名/発表者名: 濱口和馬, 市川理乃, 梶山智司, 鳥居将太郎, 林佑亮, 片山浩之, 加藤隆史
  • 学会等名: 日本化学会第101春季年会 (オンライン開催)
• [学会発表] Development of Nanostructured Liquid-Crystalline Membranes for Efficient Removal of Viruses Regardless of Their Charge (2020)
  • 著者名/発表者名: Yu Tosaka, Shotaro Torii, Takeshi Sakamoto, Hiroyuki Katayama, Takashi Kato
  • 学会等名: The Water and Environment Technology Conference Online2020 (オンライン開催) (国際会議)
  • 国際学会
• [学会発表] Development of 2D Nanoporous Water Treatment Membranes from Polymerizable Liquid- Crystalline Nanostructured Materials (2020)
  • 著者名/発表者名: Monika Gupta, Sabrina Meier, Shotaro Torii, Takeshi Sakamoto, Hiroyuki Katayama, Takashi Kato
  • 学会等名: MANA International Symposium 2021 (オンライン開催) (国際会議)
  • 国際学会
• [学会発表] 液晶性分子集合体の異方的イオン・電子伝導およびその動的機能制御 (2020)
  • 著者名/発表者名: 加藤隆史
  • 学会等名: 第69回高分子討論会 (オンライン開催) (招待講演)
  • 招待講演
• [学会発表] 水圏機能材料とは―その目指すもの (2020)
  • 著者名/発表者名: 加藤隆史
  • 学会等名: 第10回CSJ化学フェスタ2020 (オンライン開催) (招待講演)
  • 招待講演
• [学会発表] 化学の力で新しい水処理膜をつくる (2020)
  • 著者名/発表者名: 加藤隆史
  • 学会等名: 第10回CSJ化学フェスタ2020 (オンライン開催) (招待講演)
  • 招待講演
• [学会発表] 水に関連する材料技術とその革新 (2020)
  • 著者名/発表者名: 加藤隆史
  • 学会等名: MRMフォーラム2020 (オンライン開催) (招待講演)
  • 招待講演
• [学会発表] Molecular Modeling of Self-Organized Ionic Liquid Crystals: Nanochannel and the Hydration Properties (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoshiki Ishii, Go Watanabe, Nobuyuki Matubayasi, Takashi Kato, Hitoshi Washizu
  • 学会等名: 第69回高分子年次大会 (福岡) (開催中止)
• [学会発表] ナノチャネルを形成する自己組織化イオン液晶の全原子分子シミュレーション (2020)
  • 著者名/発表者名: 石井良樹, 松林伸幸, 渡辺豪, 加藤隆史, 鷲津仁志
  • 学会等名: 第69回高分子討論会 (オンライン開催)
• [学会発表] 自己組織化イオン液晶のナノチャネルの中での水分子のダイナミクス (2020)
  • 著者名/発表者名: 石井良樹, 松林伸幸, 渡辺豪, 加藤隆史, 鷲津仁志
  • 学会等名: 溶液化学研究会若手の会オンラインシンポジウム (オンライン開催)
• [学会発表] 分子シミュレーションで観測する機能性イオン液晶膜を透過する水分子のダイナミクス (2020)
  • 著者名/発表者名: 石井良樹, 鷲津仁志, 松林伸幸, 渡辺豪, 加藤隆史
  • 学会等名: 兵庫県立大学知の交流シンポジウム On the WEB (オンライン開催)
• [学会発表] 変異ウイルスを用いた液晶高分子膜の機能解明 (2020)
  • 著者名/発表者名: 遠坂優, 鳥居将太郎, 坂本健, 片山浩之, 加藤隆史
  • 学会等名: 第10回CSJ化学フェスタ2020 (オンライン開催)
• [学会発表] 生体に倣う新規環境調和型ミネラル結晶の開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 細川済弘, 望月航平, 中山真成, 加藤隆史
  • 学会等名: 第10回CSJ化学フェスタ2020 (オンライン開催)
• [学会発表] Confined Water inside the Nanochannels of Self-Assembled Ionic Liquid Crystal via MD and DFT Simulations (2020)
  • 著者名/発表者名: 石井良樹, 松林伸幸, 渡辺豪, 加藤隆史, 鷲津仁志
  • 学会等名: イオン液体Workshop2020 (オンライン開催)
• [学会発表] 自己組織化イオン液晶の全原子分子モデリング：1Dおよび3Dナノチャネルの分子輸送機能解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 石井良樹, 松林伸幸, 渡辺豪, 加藤隆史, 鷲津仁志
  • 学会等名: 第34回分子シミュレーション討論会 (オンライン開催)
• [学会発表] 自己組織化イオン液晶の全原子分子シミュレーション：ナノチャネル構造と分子輸送解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 石井良樹, 松林伸幸, 渡辺豪, 加藤隆史, 鷲津仁志
  • 学会等名: 2020年度高分子基礎物性研究会・高分子計算機科学研究会・高分子ナノテクノロジー研究会・合同討論会 (オンライン開催)
• [学会発表] Structural Control of Calcium Phosphate/Polymer Hybrid Thin Films by Tuning Hydrogel Template (2020)
  • 著者名/発表者名: 市川理乃, 梶山智司, 加藤隆史
  • 学会等名: 3rd GLowing Polymer Symposium in KANTO (オンライン開催)
• [学会発表] Self-Assembled 2D Nanostructured Water Treatment Membranes Based on Gemini Thermotropic Smectic Liquid Crystals (2020)
  • 著者名/発表者名: 濱口和馬, 市川理乃, 梶山智司, 鳥居将太郎, 林佑亮, 片山浩之, 加藤隆史
  • 学会等名: 3rd GLowing Polymer Symposium in KANTO (オンライン開催)
• [図書] 水処理用分離膜の開発最前線 (2020)
  • 著者名/発表者名: 遠坂優、片山浩之、加藤隆史
  • 総ページ数: 320
  • 出版者: シーエムシー出版
  • ISBN: 978-4-7813-1565-2
• [備考] 加藤研究室ホームページ
  • URL: http://kato.t.u-tokyo.ac.jp/
• [備考] 水処理膜に新たな「分子ふるい」の機能を発見～イオンを取り巻く水の水素結合構造を認識して選択的な透過～
  • URL: https://www.t.u-tokyo.ac.jp/foe/press/setnws_202010260911342283375341.html
• [備考] Highly selective membranes
  • URL: https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/press/z0508_00132.html
• [備考] 特異な構造相転移挙動を活用した高い製造プロセス適性を持つ～高性能な有機半導体を開発～
  • URL: https://www.t.u-tokyo.ac.jp/foe/press/setnws_202008240945321397590266.html
• [産業財産権] スメクチック液晶構造を有する複合半透膜 (2020)
  • 発明者名: 加藤隆史、濱口和馬、片山浩之、鳥居将太郎
  • 権利者名: 東京大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2020-105484
• [産業財産権] 光反応性液晶化学物及び液晶薄膜（ナノ層状構造複合半透膜） (2020)
  • 発明者名: 加藤隆史、片山浩之、Monika GUPTA
  • 権利者名: 東京大学
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2020-188844