Effect of n-Alkane
on Bilayer Structure and Dynamics in Nanoscales
Observed by Neutron Scattering
Hatsuho Usudaa,b*, Mafumi Hishidab, Michihiro Nagaoc,da. Nanomaterial Research Institute, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology(AIST), 1-1-1 Higashi, Tsukuba, Ibaraki 305-8565
b. Department of Chemistry, Faculty of Pure and Applied Sciences, University of Tsukuba, Tsukuba,
Ibaraki 305-8571
c. Center for Exploration of Energy and Matter, Indiana University, Bloomington, IN, USA
d. Department of Physics and Astronomy, University of Delaware, Newark, DE, USA*hatsuho.usuda@aist.go.jp
Bilayers, formed as a stack of two monolayers, exhibit
distinct dynamics from the monolayers. Especially,
bilayer features as a stack appear when accessed
nanometer and nanosecond scales. Here, based on
neutron scattering experiments, we demonstrate that anincorporation of n-alkanes into 1,2-dipalmitoyl-snglycero-3-phosphocholine (DPPC) bilayers significantly
alters the structure and dynamics of the bilayers.
Relatively long alkanes condense on the central plane of
the bilayers which reduces the interleaflet coupling of thetwo leaflets. The change in the internal membranedissipation modifies dynamics of the bilayers; a bilayersoftening is observed despite a thickening of the bilayers. By accessing nanoscale structure anddynamics, insights of membrane dynamics are advanced.
Keyword: bilayer membrane, phospholipid, neutron spin echo, interleaflet
coupling, neutron scattering
Hatsuho Usuda received her Ph. D in Science from University of Tsukuba in 2020.
She started working as a researcher at National Institute of Advanced Industrial
Science and Technology (AIST) in 2020. Her research interests include
thermodynamics and mechanical properties of nanomaterials.
Mafumi Hishida received Ph.D from Department of Physics, Kyoto University (2009).
He moved to iCeMS Kyoto University (2009-2011) as a WPI researcher, and moved
to Department of Chemistry, University of Tsukuba (2011-) as an Assistant Professor.
His research interest is self-assembly mechanisms of soft matter.
Michihiro Nagao received his Ph. D. in Physics from the University of Tokyo in 2001.
He was a research associate at Institute for Solid State Physics, the University ofTokyo from 1997, then moved to the NIST Center for Neutron Research in 2006. He
was a Staff Scientist at Indiana University from 2006, an Associate Scientist from2012 and a Senior Scientist from 2019 at Center for Exploration of Energy and Matter,
Indiana University. He is also an Affiliated Associate Professor at Department of
Physics and Astronomy, University of Delaware from 2020. His research interests are
structure and dynamics of soft materials especially by means of neutron scattering.
Acc. Mater. Surf. Res. 2020, Vol.5 No.5, 171-182.

171

中性子散乱で観る n-アルカン添加が膜のナノスケールの構造と運動に与える影響
臼田初穂 a,b*、菱田真史 b、長尾道弘 c,da. 産業技術総合研究所、b. 筑波大学、c. インディアナ大学、d. デラウェア大学
１．二分子膜のダイナミクス

界面活性剤やリン脂質などの両親媒性分子を水中に分散させると厚さ数 nm の二分子膜を形成する。二分子膜は膜平面に垂直な方向には二分子だが、平面方向には無限に広がる。二次元流体と呼ばれることもある二分子膜は、動植物の細胞膜の基本構造であり、化粧品や洗剤中にも存在する身近な構造体である。温度変化に伴うアルキル鎖の構造変化により、固体膜
や液体膜及びそれらの状態間の相転移も知られている。固体状の膜は固く、分子のアルキル鎖が二次元方向に配列秩序を持つ（ゲル相）。
この配列秩序は、ある温度（主転移温度）より高くなると乱れ、二次元方向に流動的な液晶相に相転移する。液晶相では、分子配列が乱れているため、二分子膜のダイナミクスはゲル相に比べて速くなり、実験的なダイナミクスの観測が容易になる。本稿では、液晶相における膜の構造とダイナミクス、特に nm スケールの膜全体の運動に焦点を当てる。分子レベルからマクロなレベルまで階層的に存在するダイナミクスのうち、
nm スケールの運動は生体膜と膜タンパク質の相互作用とも関連しており、物質輸送や情報伝達、分子認識に影響していると考えられている 1)。
二分子膜のダイナミクスは分子 1 個の運動から膜全体の協同的な運動あるいは膜同士の融合や分離など多岐に渡る。nm スケールの協同的な膜全体の運動として我々が注目するのは
曲げゆらぎと厚みゆらぎである（Fig. 1）2)。曲げ
ゆらぎは膜の片面が伸び、反対側が圧縮されるという動きが時間的に、また空間的にも繰り返されるという運動である。位相差顕微鏡を用いて二分子膜からなる直径 20 µm 程度の小胞を観察すると、焦点面の膜のゆらぎが見られる 3)。ある時刻におけるゆらぎの振幅の角度自己相関関数を求め、それぞれのゆらぎモードに分解すAcc. Mater. Surf. Res. 2020, Vol.5 No.5, 171-182.

Figure 1 Bending and thickness
fluctuations of the bilayers.

ることで、膜の硬さを表す曲げ弾性係数を求めることができる。しかし、顕微鏡観察からは、µm以下のゆらぎ運動をとらえることはできない。一方、厚みゆらぎはぜん動モードとも呼ばれ、膜が平均の厚みよりも厚くなったり薄くなったりする運動である。厚みゆらぎも振幅が数 nm、緩和時間が数百 ns と空間的・時間的に観測しにくいス
ケールのダイナミクスである。このような他の手法では観測が難しい nm スケールの運動も、中性子スピンエコー（NSE）法を用いると、測定することができる 4)。
曲げゆらぎや厚みゆらぎなどの協同運動は、膜の物性と直接関連づけられる。厚みゆらぎの振幅や緩和時間は圧縮率や膜内外の粘性率に依存する。一方、曲げゆらぎの振幅や緩和時
間は、膜全体の曲げ弾性や面積圧縮率だけでなく、2 枚の単分子膜同士のカップリング（滑りやすさ）によって変化する。すなわち、２枚の単分子膜同士が摩擦なく滑るのであれば、それぞれが独立してゆらぐ膜と捉えられるし、摩擦が非常に大きくカップリングが強いのであれば、２枚の膜は一体となった１枚の膜としてゆらぐであろう。機械物理学的には、2 枚の弾性板が密着して滑らない（完全カップリング）場合と摩擦の影
響なく自由に滑る（完全デカップリング）場合と172

では曲げ弾性係数が 4 倍異なることが計算されている。この考察との類推により、二分子膜においても 2 枚の単分子膜が滑りにくい（カップリン
グが強い）ほど曲げ弾性係数が大きくなり、膜平面に垂直な方向への曲げゆらぎが小さくなると予想される。
この単分子膜同士のカップリングについては、観測の難しさから、これまでほとんど研究されてきていないのが現状である。一方本稿で我々は、
NSE を用いて膜の厚みゆらぎを観測することでカップリングに関する情報を知ることができることを示す。まずはシンプルな系でその特徴を捉えることが重要であると考え、我々はリン脂質膜に対する添加物の効果に注目した。添加物として
特に、長さの異なる直鎖アルカンを用いた。これは、次に示すように、長さの異なるアルカンを添加することで、系統的に膜の物性を変化させられることが分かっていたためである。
２．添加物の効果
DPPC 膜をはじめとするリン脂質膜は生体膜の基本構造であるから、これまでコレステロールなどの生体分子の添加効果が個々に調べられてきた 5)-11)。筆者 12)-18)らも、転移温度や分子充填などの膜の物理化学特性に添加物が影響することを系統的に明らかにしてきた。特に、添加分子の分子形状に注目して研究を進めてきて
おり、アルカンをはじめ、かさ高い化合物も添加して、膜の構造や相挙動といった膜物性に与える影響を調べてきた 12)-18)。たとえば n-アルカンを
1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine（DPPC）膜に等量添加した場合、鎖長が長いほど主転移温度を上昇させ、ゲル相におけるアルキル鎖の充填を密にする 14)。また、末端官能基が異なる n-テトラデカン誘導体を添加した際にも、化学種によらずアルカンと同様に主転移温度を上昇させ、ゲル相での充填を密にすることも見出している。これらの直鎖分子の効果はコア状分子であるコレステロールとは正反対である。そこでさらに、同一分子内にコアと直鎖を持
つ分子を添加する研究も行い、直鎖分子の割合が大きくなるほど、コア部分の添加効果が打ち消されることも見出した 15)。
Acc. Mater. Surf. Res. 2020, Vol.5 No.5, 171-182.

すなわちこれらの結果から、添加効果は、分子が直鎖状であるかコア状であるかといった分子形状や、その長さに系統的に依存することを示してきている。このことから、添加物が脂質膜のダイナミクスや機械物性に与える効果も分子形状に依存するのではないかと考えられる。そこで、本研究でも、分子形状として鎖長に注目し、最も単純な形状の化合物である n-アルカン
を用いて、添加効果の鎖長依存性を調べた。nア ル カン と し て 、 n- オ ク タ ン （ C8 ） 、 n- デ カン
（C10）、n-ドデカン（C12）、n-テトラデカン（C14）を、脂質膜として、DPPC を用いた 19)。
３．二分子膜の中性子散乱測定
中性子散乱実験の一つの特徴は、軽水素と重 水 素 の 中 性 子 散 乱 振 幅 密 度 （ scattering
length density; SLD）が大きく異なることを利用して、測定試料に及ぼす物理的な影響を最小化しつつ、特定部位にコントラストを与えることである。溶媒と溶質の間にコントラストをつけることは
もちろん、分散質の内部構造にもコントラストをつけられる。例えば、一般的なリン脂質と水の場
合、膜の電子密度分布は Fig. 2a のようになる。
X 線は試料の電子密度分布に依存した散乱プ
ロファイルを与えるため、コントラストの大きな親水基間の距離を同定するのに優れている 20)。一方、中性子散乱の場合は原子核との相互作用により散乱が起きるため、電子密度分布ではな
く SLD を考慮する。二分子膜に添加したアルカンの分布を知りたい場合には Fig. 2b のようにアルカンのみ重水素化した試料を用いればよい。
また、軽水素からなる膜を重水中に分散させることで膜全体の構造と運動を観測できる（Fig.
2c）。あるいは、膜の疎水領域のみ重水素化して重水中に分散させた場合には、親水領域の相関が特異的に観測される（Fig. 2d）。たとえば、
厚みゆらぎを観測したい場合には、このようにして親水基同士の相関のダイナミクスを追えばよ
いことになる。
二分子膜を水中に分散させると、端の疎水領域が水に触れるのを避けるため、シャボン玉のように閉じた構造を形成する。その際にまず形成するのは膜が玉ねぎ状に重なった多重膜小173

Figure 2 (a) The electron density (ED) profile
of protiated bilayers in H2O. The scattering
length density (SLD) profiles of (b) bilayers
composedofprotiated

DPPC

and

deuterated n-alkanes in D2O, (c) fully protiatedbilayers in D2O, and (d) the bilayers composedof tail-deuterated lipid and deuterated nalkanes in D2O. Black and red portions of themolecules are protiated and deuterated parts,
respectively. 19)

胞である。一方で、膜同士の相互作用を避け、一枚の膜の構造とダイナミクスを観測するためには、水中に分散させたリン脂質が一枚膜小胞を形成するような調製方法が必要となる。多重膜小胞を 100 nm の穴が開いた膜フィルターから押し出すと、一枚膜小胞が形成する。この作
業は液晶相で行う必要がある。DPPC の場合、
41 °C が主転移温度なので 21)、それよりも十分高い温度で押し出せば、一枚膜小胞を形成させることができる 22)。
４．長さの異なる n-アルカン添加時の二分子膜の構造添加した n-アルカン分布や膜構造の変化は、
小 角 X 線 散 乱 （SAXS ） と 小 角中 性 子 散乱
（SANS）を用いて調べることができる。
Fig. 3a は DPPC/n-アルカン膜（DPPC : n-アル
カン = 6 : 4 (mol:mol)）を軽水中に分散させた試料（Fig. 2a）の SAXS プロファイルである。横軸は q = 4psinq/lであり、lは入射中性子の波長、2qは散乱角である。図には小角散乱解析ソフト、
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Figure 3. (a) SAXS profiles of DPPC andDPPC/n-alkane (DPPC : n-alkane = 6 : 4( mol:mol)) bilayers in H2O at 54 °C. Error
bars represent ±1 standard deviation, andthe 95% confidence intervals are 1.96 timesof the error bars throughout the paper. Solidlines: fitting results. (b) Plot of dc obtained
from fitting to the SAXS profiles. Broken
line: dc of the pure DPPC bilayer. Dottedlines: calculated dc assuming that all theincorporated n-alkane locates in the central
plane of the bilayers. 19)

SASView23)を用いて Fig. 2a に示した電子密度
分布プロファイルを仮定してフィットした結果を実線で示してある。フィットは良好で、求められた膜の厚み（dc）を Fig. 3b に示した。添加した nアルカンの長さが長いほど dc が大きくなることがわかるが、無添加膜（pure）との違いはあまり顕著ではない。
ここで、アルカンの膜中での分布は二通りの可能性があることに気が付く。すなわち、アルカ174

ンがリン脂質のアルキル鎖と平行に並ぶ場合(Fig. 4a)と、二枚の単分子膜の間に挟まれる場
合(Fig. 4b)である。 Fig. 3b の点線の斜線は添
加アルカンがすべて膜の中央平面に分布すると仮定した場合の dc の計算値である。添加アルカンの分子体積の増加に伴う厚み変化が予想されるが、測定値が計算値よりも低いことから、添加アルカンの大部分が中央平面に凝集せず、リン脂質分子に平行に並んでいると考えられる。
より詳細な添加アルカンの配置を調べるため、
中性子小角散乱（SANS）によるコントラスト変調

Figure 4. (a) n-alkanes aligned parallel tothe lipid molecules. (b) n-alkanes located on
the central plane of the bilayer.

実験を行った。Fig. 2b に示したように、H 体のリン脂質に D 体のアルカンを添加して測定した
SANS 結果を Fig. 5a に示した。Fig. 5a にはSANS とともに、Fig. 5b に示すような二種類の添
加アルカン分布を考慮した場合の計算結果も示した。実線はアルカンが膜中心面に凝集した場合（Fig. 5b の上側）、破線は膜内の一様分布（Fig. 5b 下側）の場合である。
Pure 及び C8 の場合、破線と実験が比較的良い一致を示し、アルカンが脂質分子に平行に分布しているモデルが良いことがわかる。一方、C10 や C12 のように鎖長が長い場合には、アルカンが中央平面にも分布しているモデル（実線）とよく合う。このことから、添加アルカンの鎖長が長い場合には、アルカンが膜の中央平面にも分布する割合が高くなることがわかった。添加アル
カンが中央平面に分布すれば、潤滑剤としての役割を果たし、2枚の単分子膜のカップリングが緩くなることが期待される。2枚の単分子膜間のカップリングが小さくなれば、膜が曲げやすくな
り曲げ弾性係数も小さくなると考えられる。この仮説を検証するために、中性子スピンエコー（NSE）測定により膜の運動を調べた結果を次節に紹介する。
Acc. Mater. Surf. Res. 2020, Vol.5 No.5, 171-182.

Figure 5. (a) SANS profiles of DPPC and(protiated DPPC) : (deuterated n-alkane) =6 : 4 (mol:mol) bilayers in D2O at 54 °C. Solidand broken lines correspond to the models
at the top and bottom in (b), respectively. (b)SLD of bilayers consist of protiated DPPC
and deuterated n-alkanes (red) in D2O. 19)

５．中性子スピンエコー（NSE）法を用いた二分子膜のダイナミクスの観測

NSE がカバーする時間空間スケールはÅから 10 nm、ps から 100 ns の領域である。この範囲では、脂質膜のダイナミクスのうち、脂質分子の協同運動である曲げゆらぎと厚みゆらぎを観測することができる 4)。NSE では散乱則 S(q, w)のフーリエ変換として中間散乱関数 I(q, t)を直接測定する。これらの物理量は時間空間相関関数 G(r,t)と同等であり、物質の構造と運動を相関関数として記述する。 w は中性子と試料との間で交換したエネルギーで、t は NSE に特徴的175

なフーリエ時間である。I(q, t)は無限に薄い弾性膜を考慮した場合、Helfrich のモデル 24)に基づいて単一膜の曲げゆらぎを記述した Zilman とGranek のモデルにより次のように表される 25)。
/𝐼(𝑞, 𝑡)= exp ,−(Γ𝑡)0 1
Eqn. 1𝐼(𝑞, 0)Gは中間散乱関数の緩和係数である。有限の厚みがある膜では曲げにより膜の表と裏で密度差が生じる（一方の面は拡張され、他方は圧縮される）。このような密度差は長距離及び長時間の観測スケールでは問題とならないが、分子ス
ケール及び短時間で観測を行う場合には結果に影響を及ぼす。すなわち、密度差を解消する
ような分子の再配置を考慮する必要がある。
Seifert と Langer 26)によって提案されたこのような密度緩和は Watson と Brown によって NSE の解析モデルに拡張され 27)、さらに本稿の著者の一人でもある Nagao らが理論的考察を加え、緩和速度Gを次のように表した 28), 29)。
Γ𝑘; 𝑇 𝑘; 𝑇
9=
0.0069Eqn. 2𝑞0
𝜅 𝜂
kBT は熱エネルギー、kは膜の曲げ弾性係数、hは溶媒の粘性である。
一方、弾性膜モデルでは、膜が曲げられる
際の密度変化は、2 つの面のエネルギーが等しいとすることにより、kと面積圧縮率 KA の関係に帰結される。
𝐾A /𝜅=𝑑 Eqn. 3
𝛽 D
bは 2 枚の単分子膜のカップリング定数であり、カップリングの程度を表す。bが大きいほど 2 枚の単分子膜のカップリングが弱く、滑りやすい。
kと dc は NSE と SAXS あるいは SANS によって定量することができるので、KA を定量することができれば、bの変化について言及できる。
統 計 力 学 的 に 、 KA は 面 積 の 微 小 変 化
sA=DA/A に関連付けられ、下記のように表される 30)。
𝑘; 𝑇
𝐾A = /
Eqn. 4𝜎A 𝐴I
A と A0 はそれぞれ膜の単位面積と単分子面積である。体積圧縮率を無限小とすると（V=Adc,
DV/V ≈ DA/A + Ddc/dc ≈ 0, V は体積）、sA は厚Acc. Mater. Surf. Res. 2020, Vol.5 No.5, 171-182.

みの微小変化sd と等しくなる。すなわち、 sA2 =sd2 = (ddc/dc)2 であり 30), 31)、面積圧縮率は厚みの微小変化と関連づけられる。これらの関係を用いると、二分子膜の親水領域にコントラストをつけた試料（Fig. 2d）の NSE 測定により、膜の厚み
ゆらぎが観測可能であり、KA を見積もることができる 28)。それによると、親水領域にコントラストをつけた試料を NSE で測定すると、Gに Eqn. 2 で表される q3 依存性から外れた領域が現れる 4),32)37)。この q3 依存性からの差は、膜の厚みゆらぎによるものと解釈される。この場合、Gは曲げゆら
ぎと厚みゆらぎの重ね合わせとして、現象論的に次のように表される 28), 29)。
Γ𝑘; 𝑇 𝑘; 𝑇= 0.00699
0𝑞𝜅 𝜂(𝜏MN 𝑞I0 )OP
Eqn. 5
1 + (𝑞 − 𝑞I )/ 𝜉 /右辺第一項は曲げゆらぎに由来し、Eqn.2 と等しい。第二項のローレンツ関数は膜の厚みゆらぎに由来し、tTF は厚みゆらぎの緩和時間、x-1 は
厚みゆらぎの振幅と比例関係にある。q0 は膜の厚みの逆数（q0=2p/dc ）によって決まる。これは先に示したように同じ試料の SANS で得られる
散乱プロファイルから見積もることができる。
厚みゆらぎの項に含まれているパラメータx-1 と膜の厚みの微小変化は次のように表される 28)-30)。
𝛿𝑑D
𝜎S == (𝑞I 𝜉 )OP Eqn. 6
𝑑D
したがって、実験的に測定される q0xと KA を関連付けられる。
+

𝐾A 𝐴I
𝑞I 𝜉 = 9∝ V𝐾A Eqn. 7
𝑘; 𝑇
このようにして計測した圧縮率を用いて、Eqn.3
を通してカップリング定数に言及可能であることがわかる。NSE を用いた曲げゆらぎと厚みゆらぎの観測により、二分子膜の機械物性について多くの情報を得ることができる。
６．長さの異なる n-アルカン添加時の二分子膜のダイナミクスでは、実際に得られた実験データを見てみよう。まず、曲げ弾性係数kを求めるために曲げゆらぎを解析した。曲げゆらぎ解析用の試料は、176

主に軽水素からなる一般的な DPPC/アルカン膜（DPPC : n-アルカン = 6 : 4 (mol:mol)）を重水中に分散させることにより、膜全体にコントラストをつけたものである（SLD プロファイルは Fig. 2c に相当する）。この試料の NSE 測定で得られるGは Eqn. 2 に従うはずである。
Fig. 6a のプロットは C8 を添加した DPPC 膜の NSE 測定で得られた I(q, t)/I(q, 0)である。
Zilman と Granek の理論 24)とよく合っている。この結果は、二分子膜がアルカンを含んでいる場
合でも、これまで単成分膜に使われてきた理論が適用可能であることを示している。各 q ごとに
Eqn. 1 でフィッティングして得られたGをプロットしたものが Fig. 6b である。C10, C12, C14 を添加した DPPC 膜についても同様に解析した。GはEqn.2 による予想の通り、すべて直線状の q3 依存性を示した。
このフィッティングで求めたkを Fig. 6c に丸いシンボルで示した。 kは添加アルカンの鎖長が長いほど小さくなる。これは添加アルカンの鎖長が長いほど膜が曲げやすくなったことを意味する。C8 を添加した場合は DPPC 単成分膜よりもkが大きく、膜が硬くなる。一方で、C10 よりも長いアルカンを添加した場合は、DPPC 単成分膜
よりも柔らかくなっている。構造観測で見た（Fig.
2b）ように、添加アルカンを加えると、その鎖長が長いほど膜の厚みは大きくなる。Eqn. 3 に示すような dc とkの関係からも明らかなように、一般に、膜の厚みが大きくなると膜は曲げにくくなる
はず である。すなわち、アルカン を添加した
DPPC 膜では一般的に成り立つ厚みと弾性率の関係が成り立たない。仮に、KA とbを一定と仮定し、𝜅 ∝ 𝑑X/ の関係を用いて計算したkが Fig.
6c の四角のプロットである。実験値とは逆の傾向を示しており、アルカンの添加により KA またはbに変化があることが明確である。
4 節で述べたように、厚みゆらぎを解析することにより KA の変化を見積もることができる。厚み
ゆらぎ解析用の試料は Fig. 2d に示す SLD プロ
ファイルを持つように、アルキル鎖重水素化
DPPC と重水素化アルカンを重水中に分散させ、親水基にコントラストを付けたものである。重水と疎水領域の SLD を等しくするために、軽水素かAcc. Mater. Surf. Res. 2020, Vol.5 No.5, 171-182.

Figure6.

(a)Intermediate

scatteringfunction of the protiated DPPC:C8 (6:4
mol:mol) bilayers in D2O at 54 °C. Solid lines:
the fits by Eqn. 1. (b) The q dependenceof Γ for

the

fully

protiatedsamples(DPPC : n-alkane = 6 : 4 (mol : mol)) at 54 °C.
The solid lines are the fit results by Eqn. 2.
(c) Circles: Experimentally determined κ at
54 °C. Squares: Calculated κ based on themeasured change in bilayer thickness. 19)

177

Figure 7. (a) I(q,t)/I(q,0) of tail-deuterated DPPC with deuterated C10 (6/4 mol/mol) bilayers in D2O
measured by NSE at 50 °C. Solid lines : Fits by Eqn 1. (b) The q dependence of Γ/q3 for the hydrophilicgroup-highlighted bilayers (DPPC : n-alkane = 6 : 4 (mol : mol)) at 50 °C. Solid lines: Fitting results of
Eqn. 4. Pure: The case of the pure DPPC bilayers28). (c) ξq0 of the n-alkane incorporated DPPC
bilayers at 50 °C. 19)

らなる DPPC とアルカンも少量用いられている。
重水素化された脂質膜の相転移温度は軽水素の場合と比べて 4 °C 低くなることが知られている 38)。また、膜の機械物性は主転移温度との温度差依存性がある 39)。そのため本実験では、測
定温度と主転移温度との差を等しくするために、
厚みゆらぎ解析用試料の NSE 測定は曲げゆらぎ解析用試料の場合よりも 4 °C 低い 50 °C で測定された。
Fig. 7a のプロットは C10 を添加した DPPC 膜の NSE 測定で得られた I(q, t)/I(q, 0)である。曲
げゆらぎ解析用試料の結果と同様、Zilman とGranek の理論 25)を用いて解析した。Fig. 7a の各 q に Eqn. 1 を用いて求めたGを q3 で除したものが Fig. 7b の紫色のプロットである。C8, C12,C14 を添加した DPPC 膜についても同様に解析
しG/ q3 を得た。観測されたダイナミクスがすべて
曲げゆらぎに由来するならば、Gは q3 に比例し、Acc. Mater. Surf. Res. 2020, Vol.5 No.5, 171-182.

G/ q3 は q に対して一定となる。しかし、添加アル
カンが C8 以外の場合は q0 = 0.07 Å-1 付近にピークが見られる。C10, C12, C14 で比較すると、添加アルカンの鎖長が長いほど、ピークが低 q側に観測される。このピークは膜の厚みゆらぎに起因していると考えられピーク位置は膜厚に対応しているので、位置の変化は、添加アルカンの鎖長が長いほど膜の厚みが大きくなることと整合している。C8 の場合にピークが見られない
原因として考えられるのは、ピークがブロードになった（x-1 の増加）か、ピークが小さくなった（tTFの増加）可能性が考えられる。C8 を添加した系で比較すると、厚みゆらぎ解析用試料のG/ q3 の平均値は 13 Å3 ns-1 である（Fig. 7b）のに対し、
曲げゆらぎ解析用試料G/ q3 の平均値は 9 Å3 ns1である。この差は緩和時間の差を示唆し、ピー
ク幅（x-1）が大幅に増加した可能性を示している。
しかし、今回の測定データからは定量的な議論
178

は不可能である。
Fig. 7b の C8 以外のデータについて Eqn. 4
でフィッティングした結果が実線である。q0 とkはそれぞれ厚みゆらぎ解析用試料の SANS と曲
げゆらぎ解析用試料の NSE 測定から得られた値を用いている。フリーパラメータはx-1 とtTF である。フィッティング結果はx q0 として Fig. 7c に示した。Eqn. 5 からわかるようにx q0 は厚みゆらぎの振幅の逆数に比例する。つまり x q0 が小さいほど膜の厚みゆらぎの振幅は大きい。Fig. 7c は、
添加アルカンの鎖長が長いほど、厚みゆらぎの
振幅が小さくなることを示す。
Eqn. 7 からわかるようにx q0 の増加は KA の増加、つまり膜が平面方向に圧縮しにくくなることを意味する。Eqn. 3 にしたがってkの傾向とも矛
盾無く説明するには 2 枚の単分子膜のカップリ
ング定数bが増加しなければならない。𝛽が大きくなったことは 2 枚の単分子膜のカップリングが弱くなることを意味する。これは、添加アルカンの鎖長が長いほど膜の中央にアルカンが分布するというミクロスコピックな構造変化とも整合する。2 枚の単分子膜間に分布するアルカンが潤
滑剤のような役割を果たして単分子膜間のカップリングを弱く、滑りやすくすると考えられる。これにより、膜はより曲げやすくなると解釈できる
のである。
７．結論

本稿では、主に中性子散乱実験の結果を用いて、二分子膜の構造とダイナミクスに添加ア
ルカンが与える影響を説明した（Fig. 8）。構造については重水素化された試薬を用いてコントラストをつけた試料の SANS プロファイルから、添
加アルカンの膜内分布を説明した。添加アルカンの大部分は DPPC 分子と平行に配列するが、鎖長が長い n-アルカンほど、膜の中央平面にも分布する割合が大きくなる。膜の機械物性とダ
イナミクスは、曲げゆらぎ解析用と厚みゆらぎ解
析用の試料の NSE 結果から説明した。添加ア
ルカンの鎖長が長いほど膜の厚みが大きくなる
一方で、膜は柔らかくなるため、一般的な厚みと弾性率の傾向とは矛盾する。しかし、厚みゆら

Figure 8. Schematic illustration of collective membrane fluctuations as well as potential internaldissipation, namely interleaflet coupling, in lipid vesicle systems. These fluctuations and internaldissipation are significant in nanometer and nanosecond scales, which are accessible by meansof neutron spin echo spectroscopy.
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ぎの振幅から膜の面積圧縮率の傾向を捉え、薄膜弾性モデルを考慮することにより、添加ア
ルカンの鎖長が長いほど、2 枚の単分子膜のカップリングが弱まることがわかった。中性子スピンエコー法は nm スケールでの膜の運動を観測するのに適した手法であり、膜内の散逸機構に敏感である。その特徴が 2 枚の単分子膜のカッ
プリングの議論を可能にする。中性子散乱実験
により、二分子膜のミクロスコピックな構造とメソスケールの運動の関連性を明らかにすることができた。
８．中性子散乱実験の実際

本稿で見たように、中性子散乱法は膜の構造と運動を観測する手法としてユニークかつ有用である。特に、厚みゆらぎの実験的測定は現在のところ NSE によってのみ可能である。しかしながら、中性子を取り出すためには原子炉における核分裂反応あるいは加速器による核破砕反応を制御する必要があり、現状では中性子散乱
実験のほとんどはラボスケールでは困難で、大型の施設で行われる。（注、現在小型中性子源の開発と設置が国内外で盛んに議論されており、日本国内でもすでに数カ所の利用が可能である。今後は両者の中性子源を目的に応じて使い分ける時代が来ると考えられる。）このような施設は先進各国に一ヶ所から数カ所以内に限られるため、実験を行うためには実験課題申請を行い、審査の末にビームタイムと呼ばれる実験
時間が供与される。測定データを公開する場合、利用料は無料であるが、実験施設への旅費は
必ずしも提供されない。
例えば、構造観測に有用な中性子小角散乱装置は各大型施設に必ず設置されており、ほとんどの場合、日本国内の装置で十分な実験が可能である。しかしながら、中性子スピンエコー法に至っては世界に 10 台に満たない装置しか稼働していない。日本国内では、日本原子力研
究 所 の改 造 3 号 炉に 東 大物 性 研が 有する
iNSE が運用可能で、J-PARC に高エネ研と京大が共同開発中の VIN-ROSE があるが、iNSE
は東日本大震災以来稼働停止中である。そのため、2020 年現在、本格的な NSE 実験は海外
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で行うしかない。本実験は、米国標準技術研究
所（NIST）に設置した NGA-NSE 装置を用いて測定を行ったのだが、この装置は元々ドイツのユーリッヒ研究所で開発されたものを米国に運んでいる。NSE 法については、その発祥から開発に至るまで長くヨーロッパが牽引してきた。その中で、日本の装置は iNSE も VIN-ROSE もその開発は海外からはある程度独立しており、ヨーロッパ以外で NSE が開発されているのは日本をおいて他にない。
さて、話を戻して、NIST はワシントン DC 郊外のメリーランド州ゲイザースバーグ市にあり、緑豊かな広々としたキャンパスと、膜や高分子などのソフトマター研究を行うのに有利な中性子散乱装置がラインナップしている。試料調整室や簡単な試料キャラクテリゼーション装置群及びユーザー控え室が中性子散乱実験ホールと隣り合わせになっており、試料の調整から実験、解析が淀みなく行える。また、装置担当者のオフィスも隣り合わせに並んでおり、オープンな場
所で議論も盛んに行われている。世界的に見ても大変素晴らしい実験環境である。
９．謝辞

本研究の共同研究者である齋藤一弥教授、山村泰久准教授、Elizabeth. G. Kelley 博士に改めてお礼申し上げる。
NSE Spectrometer を 用 い た 測 定 は 、 米 国
NIST と National Science Foundation との契約
（No. DMR-1508249）に基づき Center for High
Resolution Neutron Scattering にて行った。本研
究は、JSPS 科研費助成番号 JP18J12652 (HU)、JP18K0355 (MH) お よ び JP19H05717(MH) 、
NIST からの協力協定 70NANB15H259（MN）の補助を受けて行った。米国 NIST で実施された
SANS および NSE 実験の旅費は、東京大学物性研究所中性子散乱実験用の一般ユーザー
プログラム（提案番号 18560 および 17902）の支援をいただいた。
Fig. 2, 4-7 は the Royal Society of Chemistry より許可を得て転載している。

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