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スポットライトリサーチ

つぶれにくく元にも戻せる多孔性結晶の開発

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第171回目のスポットライトリサーチは、筑波大学数理物質系・山岸 洋 助教にお願いしました。

東大工学部・相田研究室発の研究成果はこれまでケムステ上でも多数紹介しております。一見してどういったストーリー的関連があるのかが分からないほど、いずれのトピックも多岐にわたっており、目にする度に驚きを隠しきれません。今回、山岸さんがあげられた成果もその一つです。先日Science原著論文およびプレスリリースとして公開されています。

“Self-assembly of lattices with high structural complexity from a geometrically simple molecule”
Yamagishi, H.; Sato, H.; Hori, A.; Sato, Y.; Matsuda, R.; Kato, K.; Aida, T.  Science 2018, 361, 1242-1246. DOI: 10.1126/science.aat6394

山岸さんは現在、筑波大学でアカデミックポストを獲得され、今後ますます独自色を推し進めた研究を生み出していくことが期待される人材です。ぜひとも、その現場からのインタビューをお楽しみ下さい!

Q1. 今回プレスリリースとなったのはどんな研究ですか?簡単にご説明ください。

多孔性結晶と呼ばれる数Åほどの微細な孔が空いた結晶の研究を行いました。近年、数多くの多孔性結晶が合成されていますが、実は熱的に安定な構造体の数は限られています。「自然は真空を嫌う」という格言にもあるとおり、孔が空いた疎な構造よりも密につまった構造の方が安定なためです。そこで重要となるのが、穴が開いた構造(準安定状態)と孔がつぶれた構造(安定状態)の間の活性化障壁です。活性化障壁が大きければ安定な多孔性結晶となり(図a)、逆に活性化障壁が小さなものには構造の可逆性が生じてきます(図b)。産業利用を念頭に置くと熱的安定性が重要ですが、省資源化の観点からは材料の自己修復を実現する構造可逆性も見逃せません。しかし、従来の化学においてこれらはトレードオフの関係にありました。例えば、Flexible MOFと呼ばれる材料群では小分子を取り込むことにより閉じていた孔が開きますが、小分子を除くとすぐにもとの孔が閉じた構造へ戻ってしまいます。

今回、孔をつぶすためには200度以上の加熱が必要な一方、つぶれた孔が室温条件で自発的に自己修復する(図c)、という何とも都合の良い多孔性結晶の合成に成功しました。孔を再生する過程は有機溶媒(CH3CN)蒸気への曝露により駆動し、再生した孔は有機溶媒分子を除いた後も安定に保たれます。詳細な熱解析を行ったところ、孔を潰す過程と再生する過程の活性化障壁が大きく異なっていることが示唆されました(図d,e)。高度な分子設計が求められるように聞こえますが、対称性の高い簡素な分子で達成できたことも大きなポイントです。

Q2. 本研究テーマについて、自分なりに工夫したところ、思い入れがあるところを教えてください。

分子設計です。この研究は、私が博士課程へ進学した折に指導教員には内緒で始めたテーマ、いわゆる裏テーマでした。修士時代のテーマが先輩のお下がりだったこともあり、オリジナルな分子を設計・合成することが楽しくて仕方がありませんでした。学会で発表すると物性やメカニズムについて様々なコメントを頂くのですが、「分子が美しい」というコメントを頂いたときは胸が一杯になりました。

Q3. 研究テーマの難しかったところはどこですか?またそれをどのように乗り越えましたか?

条件変更に対する分子の応答が素直であったため、構造・物性・メカニズムをそろえる行程は比較的スムーズに進みました。しかしその後の論文執筆作業が思うように進まず、納得できるストーリーにたどり着くまでに1年以上の月日がかかりました。物性に注目していた当初の案をやめ、分子設計・結晶設計を中心とした話にまとめることで現在の形になりました。この過程では指導教員との様々な戦い(?)があったのですが、第一線で活躍する研究者に真剣勝負をしていただいた大変貴重な経験であったと、今になってその価値を再認識しております。多大な時間と頭脳、そして精神力を割いていただいた相田先生には、感謝してもしきれません。

Q4. 将来は化学とどう関わっていきたいですか?

本研究では、単結晶構造解析および熱分析を用いて結晶構造転移の様子を明らかにしました。しかし、そこには依然としていくつかの謎が残されています。多孔性構造が崩壊する際の活性化エネルギーはなぜ大きいのか、なぜ自己修復の際の活性化エネルギーは小さいのか、これらの疑問に答えるには結晶構造転移における遷移状態を明らかにしなければなりません。極めて困難な課題ですが、本結晶に限らずダイナミックな分子性結晶全般に繋がる根源的なトピックになると期待しているので、腰を据えて取り組みたいと思っております。

Q5. 最後に、読者の皆さんにメッセージをお願いします。

分子性結晶は、分子間力の弱さに起因する特異的な性質を数多く備えた魅力的な材料です。興味を持たれた方は研究室へ連絡頂けると大変うれしく思います。また、現在は超分子と非線形光学を交えた化学も展開しております。こちらに興味がある方も是非連絡頂ければと思います。

最後になりますが、ご指導頂いた相田卓三教授をはじめ,研究室のメンバーにこの場を借りて心より御礼を申し上げます。

研究者の略歴

名前:山岸 洋
所属(当時):東京大学大学院工学系研究科化学生命工学専攻 相田研究室
所属(現在):筑波大学数理物質系物質工学域 山本研究室
研究テーマ:弱い分子間結合を用いた精緻な分子集合体構築

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博士(薬学)。Chem-Station副代表。国立大学教員→国研研究員にクラスチェンジ。専門は有機合成化学、触媒化学、医薬化学、ペプチド/タンパク質化学。
関心ある学問領域は三つ。すなわち、世界を創造する化学、世界を拡張させる情報科学、世界を世界たらしめる認知科学。
素晴らしければ何でも良い。どうでも良いことは心底どうでも良い。興味・趣味は様々だが、そのほとんどがメジャー地位を獲得してなさそうなのは仕様。

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