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2013年5月 3日 (金)

水による層状結晶のきわめて珍しい巨大膨潤現象を発見

平成25年3月28日
独立行政法人 物質・材料研究機構
独立行政法人 科学技術振興機構
 
詳細は、リンクを参照して下さい。
 
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1.独立行政法人 物質・材料研究機構
 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点の
 佐々木 高義 主任研究者、
 馬 仁志 MANA研究者、
 耿 鳳霞 博士研究員らの研究グループ
 は、無機層状結晶があたかも生きた細胞
 のように水溶液中で100倍に及ぶ
 大きさにまで数秒で伸び縮みするという
 極めて珍しい現象を発見した。
 
2.無機層状結晶は水溶液中で層と層の間
 に様々なイオンや分子を取り込み、膨潤
 する反応性を示すことが知られているが、
 その膨潤度(層と層の間隔)は通常数割
 程度である。
 一部の限られた例として溶媒である水が
 大量に取り込まれて膨潤度が数倍にまで
 達することはあるが、その場合には
 層同士の間に働く力が弱くなり、
 溶液全体を振り混ぜるなどの弱い外力を
 加えるだけで、結晶が薄片に分割されて
 いく。
 そのため10倍を超える膨潤状態を安定
 に保持できることはほとんどなく、
 層状結晶の膨潤反応に関する学術的理解
 は極めて薄弱なレベルにとどまっている。
 
3.本研究では層状チタン酸化物注1)
 などの無機板状結晶が、アミノ基と
 ヒドロキシ基を両端に持つ有機化合物の
 希薄水溶液を作用させると、
 層の重なり方向に100倍の長さまで
 1~2秒でアコーディオンのように
 伸びることを見いだした。
 驚くべきことにひものように伸びた結晶
 は分割されることなく、安定に存在し、
 酸を加えることにより、数秒で元の状態
 に戻ることが分かった。
 用いた層状結晶は厚さ1ナノメートル弱
 の層が3000枚前後積み重なった構造
 を有しているが、層と層の間隔を
 100倍にも膨らませる大量の水が瞬時
 に出入りし、かつその過程で層が
 バラバラにならず、一体として振る舞う
 ことを意味している。
 この驚異的な現象は層と層の間に
 取り込まれる水が特殊な状態を有して
 いることを暗示しており、
 実際理論計算により、希薄に存在する
 有機化合物が起点となって、水分子の
 強靭な水素結合ネットワークを誘起し、
 安定化することが示唆された。
 
4.本研究成果は現在ホットなトピックス
 となっている2次元物質
 (グラフェン注2)、ナノシート注3))
 の合成プロセス(層状化合物の単層剥離)
 の理解の増進、制御性の向上につながり、
 高品位のナノシートを高収率で合成する
 ことに道を拓くことになると期待される。
 
 また生命現象などの重要なファクターと
 されながら、いまだ謎が多い狭い空間に
 閉じこめられた水の特異な挙動の理解に
 光を当てることになると期待される。
 
5.本研究成果は、独立行政法人 科学技術
 振興機構 戦略的創造研究推進事業
 チーム型研究(CREST)
 「ナノ科学を基盤とした革新的製造技術
 の創成」研究領域における研究課題
 「無機ナノシートを用いた次世代
 エレクトロニクス用ナノ材料/
 製造プロセスの開発」の一環で得られた
 もので、英国科学雑誌
 「Nature
 Communications」
 オンライン版で日本時間
 平成25年3月28日1:00
 (現地時間27日16:00)に公開
される。
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 なかなか面白そうな現象ですね。
 
>本研究で見いだした巨大膨潤結晶は、
>層と層の間に大量の水を含んでおり、
>その含水率は97%にも達する。
>このような状態をヒドロゲルとして
>固定化できれば、生体関連や触媒など、
>多方面に役立つ新材料が得られる
>期待がある。
>また狭い空間に閉じ込められた水が
>生命現象や特異な化学反応に重要な
>役割を果たしていると推測されて
>いるが、本膨潤結晶は未だ謎に満ちて
>いるこれらの問題を調べる上で格好な
>モデルとなる可能性もある。
 
 まだ謎に満ちているそうです。
 
 まさに今後に期待というところです。

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