酒田陽子助教・古川修平准教授・北川進教授ら、分子の吸着状態を「記憶」し「消去」するナノ細孔物質を発見：メゾ領域で多孔性構造体の柔剛を制御 [Science]

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2013年1月11日

 

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　京都大学（総長：松本紘）の北川進物質－細胞統合システム拠点（iCeMS＝アイセムス）拠点長・教授、古川修平iCeMS准教授、神戸大学（学長：福田秀樹）の酒田陽子助教（当時iCeMS研究員）らの研究グループは、多孔性構造体の結晶サイズをメゾスコピック領域まで小さくすることで、分子を取り込んだ状態の構造を「記憶」し、加熱により「消去」可能な、形状記憶ナノ細孔の合成に成功しました。物質のサイズによって細孔機能が変化することを、多孔性材料において示したのは世界で初めてです。

　無機化合物はサイズによって全く別の機能が現れることが知られています。例えば、金は我々が目にする状態では金色に輝いていますが、そのサイズを数ナノメートル（金ナノ粒子）まで小さくすると赤色に変化します。この金赤は昔からステンドグラスなどの着色剤として用いられています。この「サイズ効果」は電子の動きに由来するものです。一方で、分子の動きに由来する現象においてサイズ効果は全く知られていませんでした。

　今回の研究では、有機物と無機物からなる「多孔性金属錯体（PCPもしくはMOF）」というナノ細孔をもつ結晶性の多孔性材料を用いて、分子の動きに由来するサイズ効果を世界で初めて発見しました。PCPの中でも、分子を取り込む際にナノ細孔の構造を変化させるフレキシブルPCPに注目しました。この化合物は、分子を吸着する前はナノ細孔が閉じた構造であるのに対し、分子を吸着するとナノ細孔が開いた構造に変化し、分子を取り除くとまた閉じた構造に戻ります。このフレキシブルPCPの結晶サイズを数マイクロメートルから数十ナノメートル（メゾスコピック領域）まで小さくすると、分子を吸着したナノ細孔が開いた構造から分子を取り除いても閉じた構造に戻らず、開いた構造を「記憶」していることがわかりました。また開いた構造を加熱により閉じた構造へ戻すことにも成功し、分子の吸着情報をナノ細孔の構造により「記憶」し「消去」できる形状記憶ナノ細孔を合成することが可能となりました。この研究により、多孔性材料に加えてタンパク質結晶、有機ポリマー結晶など有機結晶中での分子の動きに関する研究の発展と分離技術の開発に寄与することが期待されます。

　今回の研究は、JST戦略的創造研究推進事業ERATO型研究「北川統合細孔プロジェクト」（研究総括：北川進）の一環として行われました。本成果は2013年１月11日付けの米科学誌「Science（サイエンス）」に掲載されました。

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文献情報

• Shape-Memory Nanopores Induced in Coordination Frameworks by Crystal Downsizing
• Yoko Sakata,^1,2 Shuhei Furukawa,^1,2* Mio Kondo,^1,2 Kenji Hirai,³ Nao Horike,² Yohei Takashima,² Hiromitsu Uehara,² Nicolas Louvain,^1,2 Mikhail Meilikhov,² Takaaki Tsuruoka,^2,5 Seiji Isoda,¹ Wataru Kosaka,² Osami Sakata,⁴ Susumu Kitagawa^1,2,3*
• Science 339, 6116, 193–196 | Published 11 January 2013 | DOI: 10.1126/science.1231451

1. World Premier International Research Initiative–Institute for Integrated Cell-Material Sciences (WPI-iCeMS), Kyoto University, Yoshida, Sakyo-ku, Kyoto 606-8501, Japan.
2. Exploratory Research for Advanced Technology (ERATO) Kitagawa Integrated Pores Project, Japan Science and Technology Agency (JST), Kyoto Research Park Building #3, Shimogyo-ku, Kyoto 600-8815, Japan.
3. Department of Synthetic Chemistry and Biological Chemistry, Graduate School of Engineering, Kyoto University, Katsura, Nishikyo-ku, Kyoto 615-8510, Japan.
4. Synchrotron X-ray Station at SPring-8, National Institute for Materials Science (NIMS), Kouto, Sayo, Hyogo 679-5148, Japan.
5. Frontiers of Innovative Research in Science and Technology (FIRST), Konan University, 7-1-20, Minatojima-minamimachi, Chuo-ku, Kobe 650-0047, Japan.

関連記事・報道

• 読売新聞「ナノサイズの形状記憶物質、メタン分離利用の可能性も」（2012年2月25日 19面）
• 毎日新聞「形状記憶できる高分子微小結晶 京大の北川准教授と古川修平准教授らのグループ 世界で初めて成功」（2013年1月24日 23面）
• 科学新聞「形状記憶ナノ細孔の合成に成功」（2013年1月18日 5面）
• 日本経済新聞「金属錯体、結晶サイズ小さいと性質変化　京大など」（2013年1月15日 11面）
• 日刊工業新聞「京大など、「形状記憶ナノ細孔」の合成に成功－分子吸着で構造記憶し加熱で消去」（2013年1月11日 23面）
• 日経バイオテク「京大iCeMSとJST、形状記憶ナノ細孔を合成、Science誌で発表」（2013年1月11日）
• 京都新聞「穴の形状記憶　金属錯体開発　ナノサイズのジャングルジム構造　京大など　気体分離膜など応用も」（2013年1月11日 25面）
• マイナビニュース | Yahoo!ニュース「京大、分子の吸着状態を記憶し消去する形状記憶ナノ細孔物質の合成に成功」（2013年1月11日）

関連リンク

• JSTプレスリリース（共同発表）